Установка для исследования деформации капель в потоке

Полезная модель относится к лабораторным установкам для исследования физических процессов, в частности, для исследования деформации капель в потоке.
Процессы потери устойчивости формы капель в обдувающем потоке газа, приводящие к их деформации и дроблению, играют важную роль в гидрогазодинамике двухфазных потоков [1]. Эти процессы имеют практическое значение в метеорологии (формирование спектра размеров капель атмосферных осадков [2]), в двигателестроении (дисперсность капель горючего в двигателях внутреннего сгорания и в жидкостных ракетных двигателях [3]), в задачах экологии (эволюция облака капель токсичных компонентов жидких ракетных топлив, образующегося при разгерметизации в атмосфере топливных баков ракет-носителей [4]) и в целом ряде других отраслей техники и технологии.
Основным критерием, определяющим деформацию капли в потоке газа, является число Вебера [1]:
g
где ρ - плотность газа;
- вектор скорости капли;
- вектор скорости обдувающего каплю потока газа;
0
D - диаметр исходной сферической капли;
σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости.
Число Вебера характеризует отношение сил динамического напора газа к силе поверхностного натяжения. С увеличением We возрастает деформация капли, и при достижении некоторого критического значения числа Вебера происходит ее дробление за счет развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца [1].
g
0
При экспериментальном исследовании закономерностей деформации и дробления капель в потоке наряду с регистрацией характерных размеров деформированной капли необходимо определять число Вебера (1) по измеренным в эксперименте значениям ρ, , , D, σ.
Известна экспериментальная установка для изучения дробления капель аэродинамическими силами [5]. Рабочая жидкость (водноглицериновые растворы различной концентрации) поступала к формирующему капилляру. На падающие из капилляра капли через сменные сопла воздействовал поток воздуха, направленный перпендикулярно траектории капель. Для детального изучения различных фаз деформации и разрушения капель использовался метод визуализации в стробоскопическом освещении. Координаты движущейся капли измерялись телевизионной системой, включающей видеокамеру и телевизор. К недостаткам данной установки относится ограниченная точность измерения скорости и размера движущейся капли, связанная с скоростной видеорегистрациией достаточно протяженного измерительного поля съемки.
Наиболее близкой по технической сущности является экспериментальная установка для исследования деформации капель, движущихся в потоке газа [6]. На падающие из дозатора капли воздействовал встречный поток газа от нагнетательной системы. Процесс движения капель регистрировался скоростной видеокамерой. Скорости газа и капель определялись PIV-методом (particle image velocimetry) - методом измерения скорости на основе двухэкспозиционного изображения вводимых в поток трассирующих частиц с цифровой обработкой информации. Недостатками данной установки являются необходимость введения трассирующих частиц в поток газа с проведением дополнительных экспериментов, сложность и высокая стоимость используемого оборудования, а также сложность юстировки регистрирующей аппаратуры.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности измерения степени деформации капли и параметров, входящих в число Вебера, за счет обеспечения строго контролируемых условий обдува исходной капли при существенном упрощении экспериментального оборудования установки и юстировки измерительной аппаратуры.
Технический результат полезной модели достигается тем, что разработана установка для исследования деформации капель в потоке, включающая устройство для получения капель, систему подачи обдувающего каплю потока воздуха и трубку Пито для измерения скорости потока воздуха. Устройство для получения капель выполнено в виде расположенной вертикально капельницы с капилляром с возможностью формирования неподвижной капли. Система подачи потока воздуха содержит микрокомпрессор, соединенный трубопроводом через регулирующий вентиль с цилиндрическим патрубком, установленным соосно с капельницей. Трубка Пито расположена в выходном сечении патрубка.
Диаметр капилляра капельницы и расстояние между срезом капельницы и выходным сечением патрубка определяется из соотношений
h≤10 мм,
к
где d - диаметр капилляра капельницы;
σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости;
кр
Во=4.5 - критическое значение числа Бонда;
g - ускорение свободного падения;
l
ρ - плотность жидкости;
h - расстояние между срезом капельницы и выходным сечением патрубка.
Достижение положительного эффекта изобретения обеспечивается следующими факторами.
l
l
1. Устройство для получения капель, выполненное в виде расположенной вертикально капельницы с капилляром с возможностью формирования неподвижной капли, позволяет обеспечить нулевую скорость обдуваемой потоком воздуха капли (u=0). При расчете числа Вебера по формуле (1) исключается дополнительная погрешность измерения скорости капли u.
g
2. Использование в системе подачи потока воздуха микрокомпрессора с регулирующим вентилем позволяет обеспечить регулируемую в широком диапазоне скорость потока воздуха u с использованием компактного недорогого оборудования.
3. Использование цилиндрического патрубка, установленного соосно с капельницей, позволяет сформировать равномерный поток обдувающего неподвижную каплю потока воздуха.
4. Использование трубки Пито, расположенной в выходном сечении патрубка, позволяет проводить измерения скорости потока воздуха с помощью недорогого стандартного оборудования [7].
5. Соотношение для диаметра капилляра капельницы получено из условия получения исходной неподвижной капли. Уравнение, связывающее массу образующейся капли с условием разрыва по периметру смачивания (периметру поперечного сечения капилляра), имеет вид [8]:
где m - масса капли;
g - ускорение свободного падения;
k
d - диаметр капилляра капельницы;
σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости.
Для получения неподвижной (висящей) капли необходимо выполнить неравенство [8]
Массу капли можно представить в виде:
l
где ρ - плотность жидкости.
Подставляя (4) в (3), получим формулу для расчета диаметра образующейся капли:
Критерием, определяющим деформацию капли за счет массовых сил (силы тяжести), является число Бонда [1]:
кр
Число Бонда характеризует отношение массовых сил к силам поверхностного натяжения. При достижении некоторого критического значения числа Бонда Во капля деформируется под действием массовых сил. Следовательно, для получения исходной капли с формой, близкой к сферической, необходимо выполнение условия:
Подставляя в неравенство (7) выражение для числа Бонда (6), получим условие, обеспечивающее существование капли:
Подставляя в (8) формулу для диаметра капли (5), получим соотношение для диаметра капилляра, обеспечивающее получение неподвижной капли:
кр
где Во=4.5 - экспериментально полученное критического значение числа Бонда [9].
6. Расстояние между срезом капилляра капельницы и выходным сечением патрубка h≤10 мм определено экспериментально из условия равенства скорости потока воздуха в выходном сечении патрубка и воздействующего на каплю потока.
Пример реализации
Сущность полезной модели поясняется Фиг. 1, на которой приведена схема установки для исследования деформации капель в потоке. Установка включает вертикально расположенную капельницу с капилляром 1, систему подачи направленного вертикально вверх обдувающего падающую каплю 2 потока воздуха и трубку Пито 3 для измерения скорости потока воздуха. Система подачи потока воздуха содержит микрокомпрессор 4, соединенный трубопроводом через регулирующий вентиль 5 с цилиндрическим патрубком 6, установленным соосно с капельницей 1.
Регистрация формы капли 2 осуществляется отдельным стандартным устройством 7 (фотоаппарат или видеокамера). В частности, для рассмотренного примера реализации использовалась видеокамера «Citius С 100». Видеорегистрация проводилась с пространственным разрешением 384×790 пикселей с темпом 300 кадров в секунду и временем экспозиции (0.5÷2.0) мс.
g
Проведение экспериментов по исследованию деформации капли осуществляется следующим образом. С помощью капельницы с капилляром 1 формируется неподвижная капля 2 рабочей жидкости (водно-глицериновые растворы, силиконовое масло, касторовое масло и др.). С помощью микрокомпрессора 4 и вентиля 5 устанавливается заданная скорость потока воздуха u, которая измеряется трубкой Пито 3.
g
После формирования исходной капли 2 на нее воздействует равномерный поток воздуха из патрубка 6, под действием которого капля деформируется. Размеры деформированной капли 2 регистрируются видеокамерой 7. Затем с помощью регулирующего вентиля 5 устанавливаются более высокие уровни u и проводятся аналогичные измерения.
В качестве примера реализации рассмотрим результаты измерения деформации капли глицерина в потоке воздуха при комнатной температуре. Необходимые для расчетов физические характеристики воздуха и глицерина при температуре 20°С приведены в таблице 1.
Расстояние между срезом капельницы и выходным сечением патрубка h=10 мм.
Определим диаметр капилляра по формуле (9):
к
к
Таким образом, диаметр капилляра должен быть не более d≤3.21 мм. Для экспериментов выбрано значение d=2.5 мм.
Проведем оценку максимального значения диаметра исходной капли по формуле (5):
Видеокадры исходной и деформированной капли приведены на Фиг. 2 для разных значений скорости обдува и чисел Вебера, рассчитанных по формуле (1). Степень деформации рассчитывалась путем обработки результатов видеосъемки:
m
0
где D, D - диаметр поперечного сечения деформированной и исходной капли.
Таким образом, из приведенного примера следует, что при реализации заявленной полезной модели достигнут положительный результат - повышение точности измерения степени деформации капли и параметров, входящих в число Вебера, за счет обеспечения строго контролируемых условий обдува исходной капли при существенном упрощении экспериментального оборудования установки и юстировки измерительной аппаратуры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. 1. - М.: Наука, 1987. - 464 с.
2. Матвеев А.Т. Основы общей метеорологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1965. - 874 с.
3. Васильев А.П., Кудрявцев В.М., Кузнецов В.А. и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. - М.: Высшая школа, 1983. - 703 с.
4. Александров Э.Л. Поведение жидких ракетных топлив в атмосфере. // Экологические проблемы и риски воздействий ракетно-космической техники на окружающую среду / справочное пособие / Под ред. Алдушина В.В., Козлова С.И., Петрова А.В. - М.: АНКИЛ, 2000. - 600 с.
5. Стернин Л.Е., Шрайбер А.А. Многофазные течения газа с частицами. - М.: Машиностроение, 1994. - 320 с.
6. Волков Р.С., Жданов А.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Особенности процессов деформации движущихся в газовой среде капель жидкости. - Журнал технической физики. 2015, Т. 85. Вып. 10. - С. 29 - 33.
7. Петунии А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. - М.: Машиностроение, 1996. - 380 с.
8. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. - М.: Мир, 1979. - 568 с.
9. Архипов В.А., Усанина А.С., Трофимов В.Ф., Васенин И.М. Устойчивость формы частиц дисперсной фазы при малых Рейнольдса. - Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2013, №2. - С. 5-14.
10. Неволин Ф.В. Химия и технология производства глицерина. - М.: Химия, 1954. - 401 с.