Экспериментальное исследование особенностей изменения формы капель воды при их движении с умеренными скоростями через газовую среду

Р. С. ВОЛКОВ, младший научный сотрудник кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета

П. А. СТРИЖАК, д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета

УДК 536.4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ФОРМЫ КАПЕЛЬ ВОДЫ ПРИ ИХ ДВИЖЕНИИ С УМЕРЕННЫМИ СКОРОСТЯМИ ЧЕРЕЗ ГАЗОВУЮ СРЕДУ

Выполнено экспериментальное исследование особенностей изменения формы капель воды при их движении через газовую среду (воздух при температуре около 300 К). Размеры капель и скорости движения варьировались в диапазонах соответственно 3—6 мм и 0—5 м/с. Установлены последовательные "циклы деформации" капель с характерными временами, протяженностью, амплитудами, формами капель и скоростями движения. Выявлены два "режима деформации" капель и определены соотношения времен "циклов деформации" для этих режимов. Установлены формы капель, которые следует использовать при моделировании процессов их движения через газовые среды (в частности, высокотемпературные, соответствующие пламенам при возгораниях и пожарах).

Ключевые слова: капля; вода; форма; конфигурация; деформация; "цикл деформации"; "режим деформации"; геометрическая модель капли.

Введение

Вопросы моделирования движения капельных потоков воды и других жидкостей через газовые среды представляют большой интерес из-за широкого спектра областей приложения таких моделей. Особенно следует выделить процессы движения таких потоков в условиях интенсивных фазовых превращений и химического реагирования (капельные потоки воды и аэрозоли [1-8] для пожаротушения, газопаро-капельные струи для обработки поверхностей и материалов [9, 10], парокапельные потоки для размораживания сыпучих сред [11,12], теплоносители на основе водяных парокапельных потоков и продуктов сгорания [13,14]). Создание и широкое использование различных модельных представлений (в том числе балансовых подходов, сопряженных задач и др.) для исследования закономерностей перемещения капель жидкостей в газовой среде связано с существенными ограничениями по точности и скорости измерений экспериментального оборудования.

Известно несколько монографий [15-18], в которых сформулированы заключения о целесообразности использования установленных форм (сфера,

© Волков Р. С., Жданова А. О., Стрижах П. А., 2014

"блин", эллипсоид) капель жидкостей при моделировании их движения через газовые среды. Следует отметить, что эти заключения нередко противоположны при идентичных условиях, поэтому вопрос о наиболее близких к реальным формах капель остается открытым. Очевидно, что ответ на этот вопрос можно получить только по результатам экспериментальной высокоскоростной видеорегистрации деформации капель жидкостей в газовой среде с известными параметрами. При этом следует исключить возможность дробления капель (этот процесс существенно усложняет анализ изменения форм капель в течение заданного периода времени). В работах [19-22] показано, что исключить влияние этого процесса можно при умеренных числах Вебера (МЬ < 7). Представляет интерес проведение экспериментальной высокоскоростной видеорегистрации изменения форм капель типичной тушащей жидкости (воды) при движении через газовую среду (воздух) с умеренными скоростями (Ше < 7).

Цель настоящей работы — экспериментальное исследование особенностей изменения формы капель воды при движении в воздухе с умеренными скоростями.

Рис. 1. Схема экспериментального стенда: 1 — высокоскоростная видеокамера; 2 — кросскорреляционная камера; 3 — двойной твердотельный импульсный лазер; 4 — синхронизатор ПК, кросскорреляционной камеры и лазера; 5 — световой "нож"; 6—генератор лазерного излучения; 7—ПК; 8 — емкость с водой; 9 — канал подачи воды; 10 — дозатор; 11 — уловитель

Экспериментальный стенд

При проведении исследований использовался экспериментальный стенд, условная схема которого представлена на рис. 1. По основным элементам стенд аналогичен применяемому при проведении экспериментальных исследований процессов испарения одиночных капель и потока тонкораспыленной воды в высокотемпературной (более 1000 К) газовой среде [23-25].

Регистрационная аппаратура стенда включает: видеокамеру 1 с форматом изображения 1024x1024 пикселей, частотой кадров до 100000 в секунду; кросс-корреляционную камеру 2 с форматом изображения 2048x2048 пикселей, минимальной задержкой между двумя последовательными кадрами не более 5 мкс; двойной импульсный твердотельный лазер 3 с активной сферой "алюмо-иттриевый гранат" и добавками неодима, имеющий длину волны 532 нм, энергию в импульсе не менее 70 мДж, длительность импульса не более 12 нс, частоту повторений не более 15 Гц; синхронизирующий процессор 4 с дискретизацией сигналов не более 10 нс.

Методика экспериментальных исследований

Расстояние, преодолеваемое каплями воды в экспериментах (от дозатора 10 до уловителя 11), составляло 1 м (см. рис. 1). Начальные размеры капель воды варьировались в диапазоне 3-6 мм. При проведении экспериментов установлено, что в момент отрыва капли от дозатора 10 ее форма близка к сферической, поэтому в качестве начального характерного размера капли принимался ее диаметр Начальные скорости капель и0 варьировались от 0 до 3 м/с. Выбор этого диапазона обусловлен тем, что при испускании дозатором 10 капель с такими

скоростями в регистрационных областях (см. рис. 1) видеокамеры 1 и кросскорреляционной камеры 2 обеспечивалось изменение скоростей движения капель и в довольно широком дозвуковом диапазоне (0-5 м/с).

При проведении экспериментов вода из емкости 8 по каналу 9 поступала на вход дозатора 10. В соответствии с заданными начальными значениями й0 и и0 из дозатора 10 выходили капли, которые пролетали через зону регистрации и поступали в уловитель 11. Процесс движения капель регистрировался видеокамерой 1. Проводилось не менее чем по 10 экспериментов для каждого размера и скорости капель при прочих неизменных условиях. После обработки видеограмм на персональном компьютере (ПК) 7 выделялись участки с характерными изменениями конфигурации капель. Фиксировались интервалы времени в течение которых капли завершали полный "цикл деформации", т. е. последовательно дважды принимали близкую к идентичной форму. Далее расстояние между дозатором 10 и уловителем 11 разделялось на группу участков, характеризующих соответствующие "деформационные циклы", и выполнялся анализ "повторяемости" результатов измерений. Погрешности измерения времен определенные по методикам [26,27], не превышали 10-5 с.

С использованием кросскорреляционной камеры 2, твердотельного импульсного лазера 3 и синхронизатора 4 для выделенных участков, которые характеризуются соответствующими "деформационными циклами", проводилось измерение размеров капель. Аналогично алгоритмам и методикам [23-25] рассчитывался масштабный коэффициент 5 (для видеограмм кросскорреляционной камеры в рассматриваемых экспериментах значения 5 изменялись от 0,01 до 0,1 мм/пиксель). С использованием специализированных координатных сеток вычислялись условные (так как форма капель соответствует в основном эллипсоидам) максимальные диаметры капель в пикселях, а затем с применением коэффициента 5 выполнялся их пересчет в миллиметры. Погрешности средств измерения размеров капель, определенные по методикам [26,27], составили 10-5 м.

В проведенных экспериментах с использованием кросскорреляционного видеокомплекса вычислялись также мгновенные скорости движения капель и в регистрационной области видеокадра. В воду добавлялись (аналогично методикам [23-25] около 0,5 % по массе) частицы нанопорошка диоксида титана (выбор ТЮ2 в качестве "трассеров" обусловлен тем, что его частицы не растворяются в воде [23-25]). Выполнялась фотосъемка, и по полученным видеокадрам определялось расстояние, пре-

одолеваемое каплями за интервал времени между вспышками лазера. При известных временных задержках между вспышками лазера и вычисленных расстояниях, преодолеваемых каплями, определялись скорости их движения и. При помощи масштабного коэффициента Б выполнялся пересчет скорости в единицы системы СИ. Систематические погрешности определения мгновенных скоростей движения капель не превышали 0,05 м/с.

Благодаря проведению серий экспериментов за достаточно короткие интервалы времени обеспечивались умеренные случайные погрешности вычисления основных характеристик деформации капель: размеры — до 5 %, времена ^ — до 4 %, скорости движения — до 2 %.

Результаты исследований и их обсуждение

При проведении экспериментальных исследований выявлены два "деформационных режима" движения капель воды через газовую среду. Характерные и довольно типичные для выполненных опытов формы капель воды при реализации каждого из этих режимов представлены на рис. 2.

Из рис. 2 видно, что форма капли воды при движении непрерывно меняется. При этом установленные формы капель хорошо согласуются с результатами работ [28,29]. Следует отметить, что на рис. 2 приведены лишь основные характерные формы капель (кроме них, в экспериментах установлено множество переходных форм, соответствующих в основном эллипсоидам). Реализация того или иного "режима деформации" капель может быть объяснена некоторым (менее 3°) изменением углов наклона испускающего канала дозатора 10. При вертикальном испускании капель реализуется первый режим. В случае даже небольшого отклонения угла наклона испускающего канала дозатора 10 деформация капель происходит по второму режиму.

Рис. 2. Характерные формы капель воды в рамках первого (а) и второго (б) "деформационных режимов"

В экспериментах также установлено, что на реализацию выявленных "режимов деформации" капель довольно существенно влияет и частота их испускания дозатором 10. Так, например, при испускании менее 1 капли в секунду на видеограммах наблюдаются изображения капель, соответствующие первому режиму (см. рис. 2,а). При увеличении частоты испускания реализуется второй режим (см. рис. 2,б), при котором характер движения капель можно назвать вращательным. Очевидно, что выявленная закономерность обусловлена ростом давления в дозаторе при повышении частоты испускания капель. Для многих реальных приложений частота подачи капель с использованием распылителей, дозаторов или насадок изменяется в широких диапазонах, поэтому возможна реализация обоих из установленных "режимов деформации".

Анализ видеограмм, полученных в экспериментах, позволил установить, что характерные времена "деформационных циклов" ^ в рамках второго режима превышают аналогичный показатель для первого "режима деформации" на 10-15 %. Выявленная особенность обусловлена различием масштабов действия сил сопротивления капель в формах, соответствующих исследуемым режимам. В [18] показано, что эти силы максимальны для капель в форме "блинов" и минимальны для сфер. Для второго "режима деформации" наиболее типичной можно считать форму эллипсоида (см. рис. 2,б), вращающегося относительно своего центра масс. Для таких форм силы сопротивления имеют средние значения относительно сфер и "блинов". Так как средняя площадь поверхности капли, на которую направлены основные силы сопротивления, для второго режима (см. рис. 2,б) больше по сравнению с первым (см. рис. 2,а), то и характерные времена ^ превышают аналогичные параметры для первого режима.

На рис. 3 представлены зависимости безразмерных параметров, характеризующих изменение условных диаметров капель в процессе движения

(Дх = (Лх - ЛоУ^ Ду = (Лу - Ло)/^ где ^ ¿у—макси-

мальные поперечный и продольный относительно направления движения размеры капли), от времени "деформационного цикла" в рамках первого "режима деформации" при Л0 = 4 мм и и = 1 м/с.

При анализе рис. 3 следует особенно выделить асимметрию изменений размеров капель по двум координатам (Дх Ф Ду). На основании этого можно утверждать, что изменение размеров капли при ее движении происходит одновременно по всем трем координатам. Установленный в экспериментах трехмерный характер процесса деформации капель следует учитывать при разработке и дальнейшем развитии физических и математических моделей движения капель жидкости в газовых средах [8].

Рис. 3. Значения Дх (1) и Ду (2) при и =1 м/с и = 4 мм в течение одного "деформационного цикла"

Обработка серий проведенных экспериментов также позволила установить следующие особенности: с ростом диаметра от 3 до 6 мм наблюдается незначительное (менее 7 %) снижение амплитуд Дх и Ду; увеличение же скоростей перемещения капель в воздушной среде от 1 до 5 м/с, напротив, приводит к росту амплитуд Дх и Ду на 15 %. Очевидно, что эти особенности обусловлены соответствующим изменением действия массовых и инерционных сил.

Анализ изменения формы капли в пределах каждого отдельно взятого "деформационного цикла" позволил установить закономерность, связанную с неравенством интервалов времен перехода Дt от одной формы капли к другой (в частности, от сферической к эллипсоидальной и наоборот). Данная закономерность характерна для обоих "деформационных режимов" (см. рис. 2).

На рис. 4 представлены интервалы времени Дt между изменениями форм (показаны условно) капли воды размером = 4 мм, двигающейся со скоростью и = 3 м/с, в трех последовательных "деформационных циклах" (рассмотрен первый "режим деформации"). Параметр нл характеризует порядковый номер формы капли в рамках трех циклов. Номера форм капель 1-5 на рис. 4 соответствуют первому "циклу деформации", 5-9 — второму, 9-13 — третьему.

Лг, мс

10 11 12 13 па

Рис. 4. Интервалы времени между характерными формами капель воды в пределах нескольких "деформационных циклов" при и = 3 м/с и = 4 мм

Из рис. 4 видно, что время перехода от сферической формы капель к эллипсоидальной на 25-40 % больше, чем время обратного перехода. Можно сделать вывод, что капли приобретают форму эллипсоида за более длительный интервал времени по сравнению со сферами. Известно, что силы сопротивления, действующие на капли или твердые частицы сферической формы при их движении в газовых средах, меньше [18], чем при эллипсоидальных конфигурациях капель и частиц. Как следствие, "торможение" газовой средой капель в форме эллипсоидов происходит интенсивнее, чем сфер. Это приводит к ослаблению эффекта ускорения движения капель под действием силы тяжести и росту интервала Дt для перехода из сферы в эллипсоид. При обратном переходе сила сопротивления несколько снижается, движение капли ускоряется и время Дt уменьшается. С увеличением числа пройденных "циклов деформации" установленная закономерность сохраняется, однако интервалы времени Дt существенно снижаются, как и в целом значения td.

В экспериментах также установлено, что соотношение значений времени перехода из сферы в эллипсоид, вытянутый перпендикулярно направлению движения, и эллипсоид, вытянутый по направлению движения (см. рис. 2,а), непостоянно и довольно значительно изменяется по ходу движения капли. Так, при испускании дозатором капель с = 4 мм и и0 = 0,5 м/с установлены следующие закономерности. В рамках первых трех "деформационных циклов" (средняя скорость движения капель — около 0,7 м/с) рассматриваемые времена отличаются не более чем на 5 % в ту или иную сторону (происходят соответствующие колебания). С 4-го по 9-й "деформационные циклы" включительно (средняя скорость движения капель — около 1,5 м/с) разница между рассматриваемыми временами колеблется уже в диапазоне 8-36 %. При этом так же, как и в первых трех циклах, наблюдаются колебания соотношений данных времен. Для 10-го и последующих с момента испускания капли "циклов деформации" (средняя скорость капель — около 2,8 м/с) соотношение рассматриваемых времен приобретает постоянный характер. При этом значения времен переходов от сферических форм к эллипсоидальным, вытянутым перпендикулярно направлению движения, на 18-28 % больше, чем соответствующие времена переходов к эллипсоидальным, вытянутым по направлению движения. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что с ростом числа пройденных "циклов деформации" процесс изменения форм капель несколько стабилизируется. Это обусловлено интенсификацией процесса трансформации поверхности капель и, как следствие, ускорением переходов от одной формы к другой.

мс

и, м/с

Рис. 5. Зависимость времени td от скорости капель воды: 1 — Л0 = 3 мм, 2 — Л0 = 4,5 мм, 3 — Л0 = 6 мм

На рис. 5 приведены зависимости Л от скоростей движения капель воды и для различных значений Л0. Анализ рис. 5 позволяет сделать вывод о существенном влиянии на характеристики деформации не только скоростей и, но и начальных размеров Л0. Так, повышение скоростей движения и капель воды приводит к снижению значений td, а увеличение размеров капель Л0 — напротив, к росту характерных времен td.

На рис. 6 приведены результаты экспериментов по установлению значений ^ при и = 0-5 м/си варьировании диаметра Л0 от 3 до 6 мм в сопоставлении с данными [28]. Сравнение кривых 1 и 2 показывает, что значения достаточно хорошо коррелируют с данными экспериментов [28]. В то же время следует отметить, что времена td, приведенные в [28], превышают значения, полученные в выполненных экспериментах при идентичных условиях (и0 ^ 0 м/с). Анализ видеокадров в момент отрыва капель от дозатора показал, что форме капли, принимаемой в [28] в качестве начальной, предшествует некоторый интервал времени, который и включает непосредствен-

мс

10

0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

с10, мм

Рис. 6. Зависимость времени td от начальных размеров капель воды: 1 — аппроксимационная кривая [28]; 2-4 — аппроксимации результатов экспериментов при скоростях на входе в "цикл деформации" и = 1 м/с

но процесс отрыва. Этот интервал времени с ростом размеров капель увеличивается с 5 до 12 мс. Если эти времена включить в первый "цикл деформации", то значения td, полученные в рассматриваемых экспериментах и [28], будут отличаться менее чем на3 %.

Можно также отметить, что скорости капель на входе в первый "цикл деформации" отличаются от экспериментов [28]. Из анализа видеограмм [28] установлено, что эти отличия достигают 6 %. Скорее всего, по этим двум причинам значения td в выполненных экспериментах отличаются (см. рис. 6) от результатов, приведенных в [28].

В [30] представлена модель тепломассоперено-са, в которой учитывается непрерывное изменение формы капель (моделируется циклическое изменение коэффициента сопротивления с%). При этом уравнение движения капель в условиях парообразования с учетом действия сил сопротивления и тяжести имеет следующий вид [30]:

ё и 3р

&t 4 рл 2г х

С„ I и - ие |(и - ие ) +

где рЛ, ру—плотность соответственно воды и ее паров, кг/м3;

ие — линейная скорость паров воды вблизи торцевых поверхностей капель, м/с; гЛ — радиус капель, м; g — ускорение свободного падения, м/с2. Численные оценки характерных времен и скоростей перемещения капель воды в рассматриваемых условиях с использованием уравнения (1) показали достаточно хорошее согласие (отличия не превышали 18 %) с измеренными в экспериментах значениями td и и. При этом в модели [30] геометрическое представление капли соответствовало цилиндрическому диску, вытянутому в направлении ее перемещения, а значения коэффициента сопротивления сг изменялись непрерывно от 0,4-0,5 (для сфер) до 0,7-0,8 (для эллипсоидов, "блинов" и цилиндрических дисков). Полученные отклонения можно считать вполне удовлетворительными, если учитывать установленную в экспериментах асимметрию деформационного движения капель. В то же время можно отметить, что учет реального времени перехода от одной формы капель к другой в соответствии с результатами серий проведенных опытов позволит приблизить модельные представления [30] к наблюдаемым на практике значениям. Это, в свою очередь, позволит создать достаточно точный прогностический аппарат.

Заключение

Результаты, полученные в экспериментальных исследованиях, и приведенные теоретические заключения позволяют сделать вывод, что при численном

моделировании движения капель воды и других широко используемых в различных приложениях жидкостей через газовые среды можно использовать подход [30], при котором капля представляется в форме вытянутого в направлении движения цилиндра и учитывается непрерывное изменение коэффициента сопротивления движению с% в соответствии с реальными формами капель (сфера, "блин", эллипсоид и др.). Возможно использование также традиционных геометрических интерпретаций мо-

дели капли — сферы или эллипсоида [15-18], но и при этом для приближения к реальным процессам целесообразно учитывать непрерывное изменение с%. Характер этого изменения довольно хорошо проиллюстрирован в проведенных экспериментах.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (госконтракт 2.1321.2014).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Karpov A. I., Novozhilov V. B., GalatA. A., Bulgakov V. K. Numerical modeling of the effect of fine water mist on the small scale flame spreading over solid combustibles // Fire Safety Science : Proceeding of Eight International Symposium. — 2005. — Vol. 27. — P. 753-764.

2. Карпышев А. В., Душкин А. Л., Рязанцев Н. Н. Разработка высокоэффективного универсального огнетушителя на основе генерации струй тонкораспыленных огнетушащих веществ // Пожаро-взрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 2. — С. 69-73.

3. СоковиковВ. В., Тугое А. Н., ГришинВ. В., Камышев В. Н. Автоматическое водяное пожаротушение с применением тонкораспыленной воды на электростанциях // Энергетик. — 2008. — № 6. — С. 37-38.

4. Сегаль М.Д. Использование тонкораспыленной воды для повышения противопожарной защиты кабельных сооружений АЭС // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. — 2011. — №4.— С. 61-64.

5. Корольченко Д. А., Громовой В. Ю., Ворогушин О. О. Применение тонкораспыленной воды для тушения пожаров в высотных зданиях // Пожаровзрывобезопасность. — 2011. — Т. 20, № 11. — С. 54-57.

6. Душкин А. Л., Карпышев А. В., Ловчинский С. Е. Особенности распространения жидкостной струи в атмосфере // Пожаровзрывобезопасность. — 2011. — Т. 20, № 12. — С. 45-48.

7. Xiao X. K., Cong B. H., WangX. S., Kuang K. Q., Yuen RichardK. K., Liao G. X. On the behavior of flame expansion in pool fire extinguishment with steam jet // Journal of Fire Sciences. — 2011. — Vol. 29,No. 4.—P. 339-360.

8. Волков Р. С., Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Численная оценка оптимальных размеров капель воды в условиях ее распыления средствами пожаротушения в помещениях // Пожаровзрывобезопасность. — 2012. — Т. 21, № 5. — С. 74-78.

9. Марьин Б. Н., Ким В. А., Сысоев О. Е. Обработка поверхностей в металлургии и машиностроении. — Владивосток : Дальнаука, 2011. — 421 с.

10. Ибатуллин И. Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев. — Самара : СГТУ, 2008. — 387 с.

11. Першин В. Ф., Однолько В. Г., Першина С. В. Переработка сыпучих материалов в машинах барабанного типа. — М. : Машиностроение, 2009. — 220 с.

12. Исаев Е. А., Чернецкая И. Е., Крахт Л. Н., Титов В. С. Теория управления окомкованием сыпучих материалов. — Старый Оскол : ТНТ, 2012. — 384 с.

13. Никитин М.Н. Влияние направленного впрыска воды в теплогенераторе на давление получаемой парогазовой смеси // Промышленная энергетика. — 2010. — № 6. — С. 42-46.

14. Никитин М. Н. Использование парогазовой смеси при сжигании топлива // Промышленная энергетика. — 2010. — № 12. — С. 37-42.

15. ГегузинЯ. Е. Капля. —М. : Наука, 1973. — 161 с.

16. Волынский М. С. Необыкновенная жизнь обыкновенной капли. — М. : Знание, 1986. — 144 с.

17. Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред. — М. : Наука. 1987. — 464 с.

18. Терехов В. И., Пахомов М.А. Тепломассоперенос и гидродинамика в газокапельных потоках. — Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. — 284 с.

19. ShraiberA. A., Podvysotsky A. M., Dubrovsky V. V.Deformation and breakup of drops by aerodynamic forces // Atomization and Sprays. — 1996. — Vol. 6, No. 6. — P. 667-692. doi: 10.1615/Atomiz-Spr.v6.i6.30.

20. Hwang S. S., Liu Z., Reitz R. D. Breakup mechanisms and drag coefficients of high-speed vaporizing liquid drops // Atomization and Sprays. — 1996. —Vol. 6, No. 3. —P. 353-376. doi: 10.1615/Atomiz-Spr.v6.i3.60.

21. Guildenbecher D. R., Sojka P. E. Experimental investigation of aerodynamic fragmentation of liquid drops modified by electrostatic surface charge // Atomization and Sprays. — 2011. — Vol. 21, No. 2. — P. 139-147. doi: 10.1615/AtomizSpr.2011003299.

22. Flock A. K., Guildenbecher D. R., Chen J., Sojka P. E., Bauer H. /.Experimental statistics of droplet trajectory and air flow during aerodynamic fragmentation of liquid drops // International Journal of Multiphase Flow. — 2012. — Vol. 47. — P. 37-49.

23. Волков P. С., Высокомерная О. В., КузнецовГ. В., СтрижакП. А. Экспериментальное исследование изменения массы капель воды при их движении через высокотемпературные продукты сгорания // Инженерно-физический журнал. — 2013. — Т. 86, № 6. — С. 1327-1332.

24. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Движение совокупности капель мелкодисперсной жидкости во встречном потоке высокотемпературных газов // Письма в журнал технической физики. — 2014.—Т. 40, № 12. — C. 11-18.

25. Волков P. С., Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Влияние начальных параметров распыленной воды на характеристики ее движения через встречный поток высокотемпературных газов // Журнал технической физики. — 2014. — Т. 84, № 7. — С. 15-23.

26. ШенкХ. Теория инженерного эксперимента. — М. : Мир, 1972. — 381 с.

27. ЗайдельА. Н. Элементарные оценки ошибок измерений / Академия наук СССР. — 3-е изд., испр. и доп. — Л. : Наука, 1968. — 96 с.

28. Дубровский В. В., Подвысоцкий А. М., Шрайбер А. А. Измерение периода собственных колебаний капель и двухкомпонентных частиц // Инженерно-физический журнал. — 1990. — Т. 59, № 5. — С. 804-807.

29. Thinh E. H., HoltR. G., Thiessen D. B. The dynamics of ultrasonically levitated drops in an electric field // Physics of Fluids. — 1996. — Vol. 8, No. 1. — P. 43-61.

30. Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Влияние формы капли воды на результаты математического моделирования ее испарения при движении через высокотемпературные продукты сгорания // Тепловые процессы в технике. — 2013. — № 6. — С. 254-261.

Материал поступил в редакцию 3 июня 2014 г.

= English

EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE FEATURES OF CHANGES IN THE FORM OF WATER DROPLETS AT THEIR MOVEMENT WITH MODERATE RATES THROUGH THE GAS AREA

VOLKOV R. S., Low Researcher of Automation Thermal and Power Processes Department, Institute of Power Engineering of National Research Tomsk Polytechnic University

ZHDANOVA A. O., Engineer of Automation Thermal and Power Processes Department, Power Institute of National Research Tomsk Polytechnic University

STRIZHAK P. A., Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of Automation Thermal and Power Processes Department, Institute of Power Engineering of National Research Tomsk Polytechnic University

ABSTRACT

The article presents scheme, technique and experimental investigation results of the features of changes in the form of water droplets at their movement through the gas area. The modern high-speed registration equipment is used for the experimental researches. It is established that the measurement errors of liquid droplet sizes are no more than 5 %, times — 4 %, movement rates — 2 %.

Two characteristic "deformation mode" of water droplets at movement through the gas area were identified. Ranges of limit changes of the droplet sizes from spherical form at its movement with moderate rates are established. Asymmetry of transition times between the characteristic forms of a droplet within a "deformation cycle" is shown. It is established that with growth of droplets movement rates the characteristic times of "deformation cycles" decrease. Times of "deformation cycles" increase with growth of the initial droplet sizes. A good agreement of the received results to earlier known data is obtained.

It is shown that when carrying out numerical researches of the described processes it is expedient to consider continuous change of a droplet form (resistance coefficient) in the course of movement.

Keywords: droplet; water; form; configuration; deformation; "deformation cycle"; "deformation mode"; geometrical droplet model.

REFERENCES

1. Karpov A. I., Novozhilov V. B., Galat A. A., Bulgakov V. K. Numerical modeling of the effect of fine water mist on the small scale flame spreading over solid combustibles. Fire Safety Science: Proceeding of Eight International Symposium, 2005, vol. 27, pp. 753-764.

2. Karpyshev A. V., Dushkin A. L., Ryazantsev N. N. Razrabotka vysokoeffektivnogo universalnogo ognetushitelya na osnove generatsii struy tonkoraspylennykh ognetushashchikh veshchestv [Development of the highly effective universal fire extinguisher on the basis of generation of sprayed streams of the extinguishing substances]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2007, vol. 16, no. 2, pp. 69-73.

3. Sokovikov V. V., Tugov A. N., GrishinV. V., KamyshevV. N. Avtomaticheskoye vodyanoye pozharo-tusheniye s primeneniyem tonkoraspylennoy vody na elektrostantsiyakh [Automatic water fire extinguishing with using of sprayed water at power plants]. Energetic — Power Engineer, 2008, no. 6, pp. 37-38.

4. Segal M. D. Ispolzovaniye tonkoraspylennoy vody dlya povysheniya protivopozharnoy zashchity ka-belnykh sooruzheniy AES [The water mist system for cable construction of nuclear power plant fire protection]. Problemy bezopasnosti i chrezvychaynykh situatsiy — Problems of Safety and Emergency Situations, 2011, no. 4, pp. 61-64.

5. Korol'chenko D. A., Gromovoy V. Yu., Vorogushin O. O. Primeneniye tonkoraspylennoy vody dlya tusheniya pozharov v vysotnykh zdaniyakh [Fire extinguishing in tall buildings by using water mist systems]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2011, vol. 20, no. 9, pp. 54-57.

6. Dushkin A. L., Karpyshev A. V., Lovchinskiy S. Ye. Osobennosti rasprostraneniya zhidkostnoy strui v atmosfere [Liquid propagation features in atmosphere]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2011, vol. 20, no. 12, pp. 45-48.

7. Xiao X. K., Cong B. H., Wang X. S., Kuang K. Q., Yuen Richard K. K., Liao G. X. On the behavior of flame expansion in pool fire extinguishment with steam jet. Journal of Fire Sciences, 2011, vol. 29, no. 4, pp. 339-360.

8. VolkovR. S., KuznetsovG. V., StrizhakP. A. Chislennayaotsenkaoptimalnykhrazmerovkapelvody v usloviyakh yeye raspyleniya sredstvami pozharotusheniya v pomeshcheniyakh [Numerical estimation of optimum sizes for water drops at the conditions of its dispersion by firefighting devices at placements]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 5, pp. 74-78.

9. Maryin B. N., Kim V. A., Sysoev O. Ye. Obrabotkapoverkhnostey v metallurgii i mashinostroyenii [Surface treatment in metallurgy and mechanical engineering]. Vladivostok, Dalnauka Publ., 2011.421 p.

10. Ibatullin I. D. Kinetika ustalostnoypovrezhdayemosti i razrusheniyapoverkhnostnykh sloyev [Kinetics of damage and fatigue fracture of surface layers]. Samara, SGTU Publ., 2008. 387 p.

11. PershinV. F., Odnolko V. G., PershinaS. V. Pererabotka sypuchikh materialov v mashinakh baraban-nogo tipa [Processing of bulk materials in the drum type machines]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 2009. 220 p.

12. Isaev Ye. A., Chernetskaya I. Ye., Krakht L. N., Titov V. S. Teoriya upravleniya okomkovaniyem sypuchikh materialov [Theory pelletizing bulk materials]. Staryy Oskol, TNT Publ., 2012. 384 p.

13. Nikitin M. N. Vliyaniye napravlennogo vpryska vody v teplogeneratore na davleniye poluchayemoy parogazovoy smesi [Influence of the directed injection of water in the heatgenerator on pressure of received steam-gas mix]. Promyshlennaya energetika — Industrial Energy, 2010, no. 6, pp. 42-46.

14. Nikitin M. N. Ispolzovaniye parogazovoy smesi pri szhiganii topliva [Using a gas-vapor mixture in the combustion of fuel]. Promyshlennaya energetika — Industrial Energy, 2010, no. 12, pp. 37-42.

15. Geguzin Ya. Ye. Kaplya [Droplet]. Moscow, Nauka Publ., 1973. 161 p.

16. Volynskiy M. S. Neobyknovennaya zhizn obyknovennoy kapli [The extraordinary life of an ordinary droplet]. Moscow, Znaniye Publ., 1986. 144 p.

17. Nigmatulin R. I. Dinamika mnogofaznykh sred [Dynamics of multiphase media]. Moscow, Nauka Publ., 1987. 464 p.

18. Terekhov V. I., Pakhomov M. A. Teplomassoperenos igidrodinamika vgazokapelnykhpotokakh [Heat and mass transfer and hydrodynamics in a gas-droplet flows]. Novosibirsk, NGTU Publ., 2009.284 p.

19. Shraiber A. A., Podvysotsky A. M., Dubrovsky V. V. Deformation and breakup of drops by aerodynamic forces. Atomization and Sprays, 1996, vol. 6,no. 6,pp. 667-692.doi: 10.1615/AtomizSpr.v6.i6.30.

20. Hwang S. S., Liu Z., Reitz R. D. Breakup mechanisms and drag coefficients ofhigh-speed vaporizing liquid drops. Atomization and Sprays, 1996, vol. 6,no. 3, pp. 353-376. doi: 10.1615/AtomizSpr.v6.i3.60.

21. Guildenbecher D. R., Sojka P. E. Experimental investigation of aerodynamic fragmentation of liquid drops modified by electrostatic surface charge. Atomization and Sprays, 2011, vol.21, no. 2, pp. 139-147. doi: 10.1615/AtomizSpr.2011003299.

22. Flock A. K., Guildenbecher D. R., Chen J., Sojka P. E., Bauer H. J. Experimental statistics of droplet trajectory and air flow during aerodynamic fragmentation of liquid drops. International Journal of Multiphase Flow, 2012, vol. 47, pp. 37-49.

23. Volkov R. S., Vysokomornaya O. V., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Eksperimentalnoye issledova-niye izmeneniya massy kapel vody pri ikh dvizhenii cherez vysokotemperaturnyye produkty sgoraniya [Experimental study of the change in the mass of water droplets in their motion through high-temperature combustion products]. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal — Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2013, vol. 86, no. 6, pp. 1327-1332.

24. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Dvizheniye sovokupnosti kapel melkodispersnoy zhidkosti vo vstrech-nom potoke vysokotemperaturnykh gazov [Movement of set of finely dispersed liquid droplets in a counter-flow of high-temperature gases]. Pisma v zhurnal tekhnicheskoy fiziki — Technical Physics Letters, 2014, vol. 40, no. 12, pp. 11-18.

25. Volkov R. S., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Vliyaniye nachalnykh parametrov raspylennoy vody na kharakteristiki yeye dvizheniya cherez vstrechnyy potok vysokotemperaturnykh gazov [Influence of initial parameters of the sprayed water on the characteristics of its movement through the counter-flow of high-temperature gases]. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki — Technical Physics, 2014, vol. 84, no. 7, pp. 15-23.

26. Shenk Kh. Teoriya inzhenernogo eksperimenta [Theory of engineering experiment]. Moscow, Mir Publ., 1972. 381 p.

27. Zaydel A. N. Elementarnyye otsenki oshibok izmereniy [Simple estimates of measurement errors]. Academy of Sciences of the USSR. Leningrad, Nauka Publ., 1968. 96 p.

28. Dubrovskiy V. V., Podvysotskiy A. M., Shrayber A. A. Izmereniye perioda sobstvennykh kolebaniy kapel i dvukhkomponentnykh chastits [Measurement of the natural oscillations period of drops and two-component particles]. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal — Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 1990, vol. 59, no. 5, pp. 804-807.

29. Thinh E. H., Holt R. G., Thiessen D. B. The dynamics of ultrasonically levitated drops in an electric field. Physics of Fluids, 1996, vol. 8, no. 1, pp. 43-61.

30. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Vliyaniye formy kapli vody na rezultaty matematicheskogo modeliro-vaniya yeye ispareniya pri dvizhenii cherez vysokotemperaturnyye produkty sgoraniya [Influence of water droplets form on results of mathematical modeling at its evaporation at movement through high-temperature combustion products]. Teplovyye protsessy v tekhnike — Thermal Processes in Technique, 2013, no. 6, pp. 254-261.