Стенд для изучения осцилляционной динамики гидродинамических систем в каналах сложной формы

СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ОСЦИЛЛЯЦИОННОЙ ДИНАМИКИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ В КАНАЛАХ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

А. А. Вяткин

Пермский государственный гуманитарно-педагогический университет, 614990, Пермь, Сибирская, 24

Разработаны установка и методика экспериментального исследования вибрационной динамики гидродинамических систем в каналах различной конфигурации (пористые среды, твердые каналы различной формы, каналы с деформируемыми стенками и др.). Изготовлен вибрационный стенд, способный задавать гармонические колебания жидкости в различных каналах без непосредственного вибрационного воздействия на полость. Технические решения, используемые при конструировании стенда, обеспечивают поддержание амплитуды и частоты осцилляции жидкости с погрешностью не более 3 % и 0.5 % соответственно. Отлажена методика экспериментального изучения диффузии контрастного растворимого вещества в жидкости, совершающей гармонические колебания в плоском горизонтальном слое пористой среды.

Ключевые слова: осцилляции жидкости, пористая среда, плоский слой, методика эксперимента.

Пористые среды широко распространены в природе и играют значительную роль в процессах, связанных с деятельностью человека, например, с добычей полезных ископаемых, возведением инженерных сооружений и т.п. Исследуя физические свойства пористых сред можно проводить оценку нефтезапасов, предсказывать возможность ряда техногенных катастроф и т.д. [1]. Одной из важных проблем является транспорт лекарственных средств в живых тканях, представляющих собой пористые среды.

© Вяткин А. А., 2017

На процессы диффузии влияют колебания жидкости. Известен метод акустического воздействия на нефтеносные слои, представляющие собой насыщенные пористые среды, для повышения нефтеотдачи. В этом случае речь идет о двухфазных системах (жидкость - газ), вибрации воздействуют на форму фазовых включений и на нефтеотдачу пласта. Этому посвящено большое количество работ, обзор которых приведен в [2-4].

Сказанное выше определяет актуальность данной работы, направленной на создание и апробацию универсального инструмента экспериментального изучения осциллирующего движения однофазных и многофазных гидродинамических систем в каналах различной конфигурации, в том числе в пористых средах.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Осциллирующее движение жидкости в каналах различной конфигурации создается системой сжимаемых латунных сильфонов, совершающих поступательные вибрации. Два сильфона 1 жестко соединяются между собой днищами, образуя общую границу 2 (рис. 1). Последняя может свободно смещаться вдоль направляющих штоков 3, обеспечивая равномерность деформации сильфонов. Поступательные колебания границы 2 задаются тягами 4. Противоположные стороны сильфонов жестко закрепляются в неподвижном внешнем каркасе, состоящем из двух металлических пластин 5, соединенных системой металлических стержней 6. Каркас имеет дополнительные ребра жесткости для уменьшения паразитных вибраций. В сильфоны заливается вода, при этом контролируется отсутствие воздуха. Соединение сильфонов с гидравлическим контуром осуществляется при помощи штуцеров 7.

Каркас с сильфонами закрепляется на корпусе электродинамического вибростенда 1 типа ВЭД-200 и остается неподвижным в лабораторной системе отсчета (рис. 2). В то же время подвижный столик электродинамического вибростенда сообщает поступательные вертикальные колебания различной частоты и амплитуды подвижной границе 2 (см. рис. 1), вызывая периодическое сжатие и растяжение сильфонов. Амплитуда вибраций изменяется в диапазоне Ь = 0.1 - 5 мм, частота - в интервале f = 1 - 70 Гц.

На катушку подмагничивания вибростенда сопротивлением 70 Ом подается постоянное напряжение 100 В от блока питания 2 МА8ТЕСИ ИУ5005Е. Колебания подвижной катушки сопротивлением 4 Ом задаются гармоническим сигналом от модуля цифро-аналогового преобразования 3 типа 7ЕТ 210. Для увеличения элек-

трического сигнала используется усилитель 4 DIGISYNTHETIC DP1400 мощностью 1 кВт. Подвижная катушка жестко соединена со столиком вибратора 5. Электронный генератор сигналов, подключенный к компьютеру 6, позволяет задавать частоту с точностью 0.01 Гц и контролировать параметры и форму синусоидального сигнала. Для воздушного охлаждения подвижной катушки вибростенда используется центробежный насос 7, соединенный с вибростендом при помощи алюминиевого гофрированного рукава 8.

Рис. 1. Схема крепления сильфонов

Поступательное движение пластины 2 (см. рис. 1), к которой прикреплены днища сильфонов, задается тягами 9 (см. рис. 2), соединенными со столиком вибратора. Таким образом, при движении столика вверх происходит сжатие верхнего сильфона и одновременное растяжение нижнего, и наоборот - в противоположной фазе колебаний. Это обеспечивает периодическое изменение расхода жидкости, прокачиваемой через гидравлический контур 10 по закону Q = Q0 cos Wt, где Q0 - амплитудное значение расхода прокачиваемой жидкости. Для удаления воздуха из контура используются краны 11. Перед началом эксперимента краны приводятся в закрытое положение.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки

Гидравлический контур 10 (см. рис. 2) образован металлопла-стиковой трубой диаметром 16 мм. В эксперименте контролируется герметичность контура и отсутствие в нем воздуха, что необходимо для обеспечения гармонического изменения перепада давления, подаваемого на экспериментальную кювету. Для измерения объема прокачиваемой через канал жидкости <20 используется измеритель расхода 12, представляющий собой оргстеклянную трубку диаметром 20.6 мм с легким поршнем 13, плотно прилегающим к стенкам трубы, но в то же время свободно двигающимся относительно нее. Амплитуда колебаний поршня определяется по фотографиям, сделанным с большой выдержкой. Точность измерения смещения поршня составляет 0.01 мм, точность измерения расхода жидкости

- 3 10 мл. В экспериментах рассчитывается средняя по сечению исследуемого канала скорость осциллирующего движения с учетом

площади поперечного сечения кюветы и амплитуды колебаний поршня. Для контроля характера колебаний поршня используется метод скоростной видеосъемки.

Рис. 3. Конструкция фланца с мембраной

Для подключения кюветы 14 (см. рис. 2) к гидравлическому контуру 10 используются разделительные фланцы 15 с упругими мембранами. Последние разделяют жидкости в кювете и контуре 10 и одновременно сообщают осциллирующее движение жидкости в кювете. Жидкость в кювете при этом не смешивается с жидкостью в контуре.

Фланец представляет собой систему оргстеклянных дисков внешним диаметром 10 см (рис. 3). Во внешних дисках 1 имеются штуцеры 2 для подключения гидравлического контура с одной стороны и кюветы с другой. Два других диска 3 образуют симметричные рабочие камеры диаметром 7 см. Между дисками 3 зажимается мембрана 4, изготовленная из маслобензостойкой резины МБС, которая сохраняет эластичность в течение длительного периода эксплуатации даже при контакте с возможными агрессивными жидкостями. Толщина мембраны составляет 1 мм. Диски и мембрана соосно и герметично соединяются между собой. Фланцы имеют технологические штуцеры для удаления воздуха из системы.

3

2. ИСПЫТАНИЕ СТЕНДА

Изучается движение поршня в измерителе расхода при периодической прокачке жидкости в гидравлическом контуре. Для определения характеристик движения поршня используется скоростная съемка видеокамерой Basler A402k. На рис. 4 показаны результаты измерений положения метки на поршне в двух сериях экспериментов. Проведенная по точкам 1 кривая соответствует уравнению x1 = —1.25 sin(31.4i +1.88) мм, проведенная по точкам 2 - уравнению x1 = —0.74sin(31.4t +1.57) мм, описывающим траекторию движения поршня.

1.5 -1-1-1-1-1-1-1-1-1-

О 0.2 0.4 0.6 0.8 t, С 1

Рис.4. Зависимость координаты смещения поршня от времени

Из анализа видеосъемки следует, что движение поршня происходит по гармоническому закону. Результаты измерения частоты /12 = (5.00 ± 0.01) Гц, а также амплитуды Ь1 = (1.25 ±0.01) мм и

Ь2 = (0.74 ± 0.01) мм соответствуют результатам измерений, представленных на рис. 4 (точки 1 и 2). Относительная погрешность измерения амплитуды не превышает 3 %, частоты - 0.5 %.

Изучение переноса растворимой примеси в насыщенной жидкостью пористой среде при гармонических колебаниях расхода прокачиваемой жидкости выполняется в плоском слое. Плоский слой образован двумя оргстеклянными пластинами 1 (рис. 5). Толщину

слоя задают две прокладки 2 толщиной 4 мм и шириной 10 мм каждая, установленные между пластинами по краям слоя вдоль длинной стороны. Детали кюветы надежно склеиваются друг с другом. Пористая среда в слое образована плотно упакованными сферическими стеклянными частицами 3 средним диаметром 0.15 мм. Уплотненная упаковка частиц в слое достигается при помощи вибраций. Для удержания частиц вблизи открытых торцов слоя устанавливаются сетчатые фильтры 4, размер пор которых меньше диаметра частиц.

Рис. 5. Схема кюветы

Геометрические параметры слоя пористой среды следующие: длина I = 250 мм, ширина ^ = 100 мм и толщина Н = 4 мм. На корпусе кюветы предусмотрены крепежные пластины 5 для установки торцевых крышек 6, имеющих полости для распределения осциллирующей жидкости вдоль всего сечения слоя и штуцеры для подключения к гидравлическому контуру через фланцы с мембранами. Для герметичности между крышками 6 и корпусом кюветы устанавливаются резиновые прокладки.

В центре кюветы имеется капилляр 7 диаметром 1 мм для ввода в пористую среду контрастной капли (водный раствор чернил). Изучается временная динамика (изменение формы) введенной капли в отсутствие вибраций и при осцилляциях жидкости в пористой

среде. Слой располагается горизонтально. Наблюдение за эволюцией капли ведется одновременно сверху и снизу слоя с помощью фотоаппаратов 8.

Для насыщения пористой среды жидкостью используется метод вакуумной дегазации. В качестве вакуумной камеры используется стальная цилиндрическая полость 1 диаметром 200 мм, высотой 600 мм с толщиной стенки 8 мм (рис. 6). Полость герметично закрывается металлической крышкой 2, соединенной с вакуумным насосом 3. Камера с помещенной в нее кюветой заливается водой так, чтобы пористая среда оказалась полностью погруженной в жидкость. При откачке воздуха обеспечивается полное насыщение пористой среды жидкостью.

Рис. 6. Схема вакуумной камеры

Эксперименты, выполненные с насыщенной жидкостью пористой средой, продемонстрировали работоспособность и эффективность разработанного стенда и экспериментальных методик насыщения пористой среды жидкостью и исследования диффузионного переноса примеси в отсутствие и при наличии колебаний жидкости относительно пористого скелета. Первичные эксперименты продемонстрировали значительную интенсификацию диффузионного переноса примеси в результате колебаний жидкости.

Заключение. Создан экспериментальный стенд для изучения вибрационной динамики гидродинамических систем (однофазных и многофазных), осциллирующих в каналах различной формы, в том

числе в пористых средах. Приведено описание технических решений, позволяющих задавать гармонические колебания жидкости в широком диапазоне параметров вибраций. Колебания жидкости в кюветах задаются связанными между собой сильфонами, совершающими согласованные поступательные колебания, сообщаемые электродинамическим вибростендом. В гидравлический контур, передающий колебания расхода прокачиваемой жидкости, кювета устанавливается с использованием разделительных фланцев с мембранами, что исключает смешивание жидкости из контура с рабочей жидкостью и позволяет подключать кюветы любой формы и конструкции. Выполнены отладка и испытание стенда.

Разработана и испытана методика экспериментального исследования эволюции контрастной растворимой примеси (водный раствор чернил) в пористой среде, насыщенной жидкостью (водой), при колебаниях жидкости относительно пористого скелета.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 17-41-590773).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ

1. Кочина П.Я., Кочина Н.Н. Задачи о движениях со свободной поверхностью в подземной гидродинамике // Успехи физических наук. М: 1996. 174 с.

2. Крутин В.Н. Механизм акустической интенсификации притоков нефти из продуктивных пластов // Каротажник. 1998. Вып. 42. С. 46-53.

3. Кузнецов О.Л., Ефимова С.А. Применение ультразвука в нефтяной промышленности. М: Недра, 1983. 37 с.

4. Бажалук Я.М., Карпаш О.М., Клымышин Я.Д. и др. Увеличение отбора нефти путем воздействия на пласты пакетами упругих колебаний [Электронный ресурс] // Нефтегазовое дело: электрон. науч. журн. УГНТУ. 2012, № 3. С. 185-198.

STAND FOR INVESTIGATION OF OSCILLATIONAL DYNAMICS OF HYDRODYNAMIC SYSTEMS IN CHANNELS OF COMPLEX FORM

А.А. VYATKIN

Perm state humanitarian pedagogical university 614990, Perm, Sibirskaya, 24

Abstract. An installation and a technique for experimental investigation of the vibrational dynamics of hydrodynamic systems in channels of various configurations (porous media, solid channels of various shapes, channels with deformable walls, etc.) are being developed. A vibrational stand providing the harmonic oscillations of a fluid in various channels without direct vibrations of the cavity is produced. It is shown that the technical solutions used in the development of the shaker ensure that the amplitude and frequency of the oscillations of the liquid are maintained with an error of not more than 3 % and 0.5 %, respectively. A technique for the experimental study of diffusion of a contrast drop in a flat horizontal layer of a porous medium saturated with liquid that performs harmonic oscillations is developed.

Key words: fluid oscillations, porous medium, flat layer, experimental procedure.