close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка методов и электронных средств для теплофизических исследований двухфазных потоков.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Назаров Александр Дмитриевич
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДВУХФАЗНЫХ
ПОТОКОВ
Специальности
01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника;
01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики.
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
НОВОСИБИРСК – 2013
Работа выполнена в ФГБУН Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО
РАН
Официальные оппоненты:
Щеклеин Сергей Евгеньевич, д.т.н., профессор, зав. каф. атомной энергетики и
возобновляемых источников энергии ФГАОУВПО «Уральский Федеральный
Университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», Уральский
энергетический институт.
Бурдуков Анатолий Петрович, д.т.н., профессор, ФГБУН Институт теплофизики
им. С.С. Кутателадзе СО РАН, л.7.1, гл.н.с.
Черепанов Виктор Яковлевич, д.т.н., зав. каф. метрологии, в.н.с., ФГБОУ
«СНИИМ».
Ведущая
организация:
ФГБОУ ВПО "СПбГПУ"
Государственный Политехнический Университет)
(Санкт-Петербургский
Защита состоится 2 октября 2013 г. в 9 ч.30 мин. на заседании диссертационного
совета Д.003.053.01 при ФГБУН Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе
СО РАН, по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 1
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
ФГБУН Института
Автореферат разослан «___» ___________ 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.ф.-м.н.
Кузнецов Владимир Васильевич
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Широкое
использование
в
промышленности
теплообменников,
конденсаторов, абсорберов, испарителей и непрерывное совершенствование этих
аппаратов требует изучения параметров пленки при течении по поверхности
теплообменника и, следовательно, разработки новых и совершенствования
известных методов исследования пленочного течения и других видов
неоднородных потоков.
В настоящее время существенно повысился интерес к использованию
аэрозоля в аппаратах, использующих процессы тепломассопереноса. Объясняется
это повышенной эффективностью теплообмена при использовании спутного
потока газа и частиц жидкости (капель). Взаимодействие капель жидкости и газа
приводит к дроблению одних и коалесценции других частиц жидкости,
турбулентности газового потока. В потоке наблюдаются изменение
концентрации жидкостной фазы по сечению и по пути пролета, шнурование
мелкодисперсных частиц (концентрация мелких капель по оси потока) и,
напротив, распределение крупных частиц. При этом в аэрозольном потоке
присутствует межфазное взаимодействие жидких капель и спутного газа.
Каждый из перечисленных процессов влияет на тепломассообмен с нагретым
телом. Для понимания этих процессов необходимо подробное исследование всех
параметров потока.
При диагностировании неоднородных закрытых потоков (течение внутри
канала) существует задача количественного измерения концентрации компонент.
В промышленности с такими измерениями сталкиваются при контроле качества
подачи топлива, передаче нефтепродуктов по трубопроводам на большие
расстояния, когда в нефть для снижения энергетических затрат
на
транспортировку добавляют воду и т.д.
Разнообразие неоднородных потоков, различные условия течения и
особенности их экспериментального исследования требуют разработки новых
методов измерений и специализированных приборов, объединенных в
многоканальную автоматизированную систему сбора данных, способную
функционировать продолжительное время внутри экспериментальных установок,
в промышленных колоннах с криогенными температурами и в агрессивной среде.
Настоящая работа посвящена опыту создания информационноизмерительных систем и оснащения ими теплофизических экспериментов, в
которых
исследуются
параметры
двухфазных
потоков
(пленочные,
газокапельные (аэрозоль), струйно-капельные, многокомпонентные). Приведены
результаты экспериментальных измерений и примеры обработки первичных
данных.
Целью работы является создание новых методов и на их основе
информационно-измерительных систем диагностирования и получение новых
экспериментальных данных пленочных, газокапельных, струйно-капельных
3
потоков, исследование теплообмена между непрерывным и импульсным
газокапельным потоком и нагретым телом, регистрация концентрации
компоненты в макросистеме (поток смеси в трубопроводе) и в капле смеси.
Основные задачи
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Создана минизондовая аппаратура и методика её применения на основе
емкостного метода для исследования тонких структур пленочных потоков
жидкости, в том числе криогенных, текущих в адиабатических и не
адиабатических условиях по поверхности с локальным нагревателем, по
внутренним стенкам канала разного профиля и размера (и миниканалов). В том
числе для сверхзвуковых сопел при истечении в атмосферу и в вакуум.
2. Разработаны экспериментальный стенд и аппаратура, выполнен комплекс
исследований по изучению теплообмена при взаимодействии газокапельного
потока с теплообменником.
3. Разработана методика регистрации концентрации компоненты в капле
бинарной смеси чистой жидкости.
4. Разработаны аппаратно-программный комплекс и методика измерения
параметров гравитационных струйно-капельных потоков, вытекающих из
структурных насадок массообменных аппаратов.
5. Разработан метод регистрации компоненты смеси с большим значением
диэлектрической
проницаемости
относительно
остальных
компонент.
Разработана аппаратура поточного влагомера водонефтяной смеси.
Научная новизна исследований.
Создан новый многоканальный измеритель малых величин емкости
(доли наноФарад) и разработана методика его применения для регистрации
быстрых волновых процессов в тонкой пленке криогенной жидкости.
Впервые
данным
измерительным
комплексом
получены
экспериментальные данные о параметрах течения криогенной жидкости (азота)
по вертикальной пластине с интенсивным испарением в области локального
нагрева в диапазоне чисел Рейнольдса Re = 25 – 250 при высоких плотностях
теплового потока. По данным измерений впервые установлено явление роста
относительной амплитуды волн на поверхности пленки в области локального
нагрева;
Впервые емкостным измерителем проведено измерение локальной
толщины пленки жидкого азота, текущей внутри прямоугольного миниканала
(2.6 7.1 мм2) в интервале чисел Рейнольдса от 200 до 2000. Показано, что
увеличение расхода приводит к более равномерному распределению жидкости по
сечению канала.
Проведено экспериментальное исследование формирования плёнок
жидкости в вертикальном цилиндрическом канале ( 100 мм) из пристенных
газокапельных струй при вариации скорости спутного потока газа (Re =
0÷2.6∙105). С помощью измерителя показано, что толщина образующейся пленки
4
жидкости существенно зависит от скорости спутного потока и с увеличением
скорости спутного потока за счет усиления межфазного взаимодействия пленка
утончается. В условиях данных экспериментов наблюдается более ранний по
сравнению с чисто гравитационным стеканием переход к волновому режиму
течения.
Впервые получены данные о скорости распространения и локальной
толщине пленки жидкости на выходе сопла со спутным высокоскоростным
газовым потоком (до 600 м/с) в вакууме.
Получены данные о развитии амплитуды волн на вершине и впадине
регулярной структуры, возникающей в неизотермической пленке жидкости,
стекающей по вертикальной пластине с числом Рейнольдса пленки Re = 20 – 40.
Впервые экспериментально подтверждено теоретическое предположение о росте
относительной амплитуды волн на поверхности пленки во впадине между
ручьями; на вершине ручейка относительная амплитуда волн уменьшается.
Разработана методика измерения и применен емкостный метод для
регистрации концентрации компоненты в капле бинарной смеси чистых
жидкостей. Проведено исследование динамики изменения концентрации
компоненты в капле бинарной смеси воды с этиловым, метиловым спиртами и
ацетоном в потоке воздуха.
Создана система, позволяющая подробно сканировать сечение под
насадкой массообменного аппарата большого диаметра для подробного
измерения распределения расхода жидкости на выходе из насадки. Основой
системы является разработанный малонапорный расходомер струйно-капельных
потоков для расходов до 6.5 см3/с.
Экспериментально
показано,
что
при
орошении
плоского
теплообменника импульсным газокапельным потоком, использование коротких
во времени капельных импульсов, движущихся в постоянном спутном потоке
газа, более эффективно по сравнению с расходами орошения с
продолжительными во времени капельными областями. При этом сама величина
максимума при вариации длительности импульса остается практически
неизменной.
Для предприятий, связанных с добычей и транспортировкой нефти
разработан поточный влагомер нефти, с возможностью тарировки в полевых
условиях по двум точкам: «сухой» нефти и пластовой воде.
Достоверность
Достоверность результатов достигалась:
1. Выбором методов измерения, проверенные многими экспериментаторами для
исследования двухфазных потоков.
2. Калибровкой, созданной измерительной аппаратуры, по эталонным объектам
с известными параметрами.
3. Сравнением собственных опытных данных с известными данными, которые
были получены в сопоставимых условиях.
4. Проверкой полученных данных на воспроизводимость.
5
Научная и практическая значимость работы
Результаты диссертационной работы использованы при разработке и
создании образцов приборов для дистанционного контроля над процессами,
протекающими в неоднородных потоках.
Полученные данные по локальной толщине пленки жидкости на пластине
с нагревателем, на внутренней поверхности каналов (в том числе миниканале)
для воды и криогенной жидкостей дополнили существующие экспериментальные
данные о процессах, протекающих в данных течениях.
Данные по локальным характеристикам (толщине и скорости) пристенной
пленки жидкости при истечении со спутным газовым потоком из сверхзвукового
сопла в вакуум помогли понять причину внешнего загрязнения космических
аппаратов от работы двигателей ориентации и систем дозаправки, что позволило
в дальнейшем предложить способы радикального уменьшения загрязнения.
Данные развития пленки жидкости, образованной из пристенных
газокапельных струй, по длине цилиндрического канала дополняют
теоретические модели, описывающие динамику
течения пристенных
газокапельных потоков и параметр эффективности тепловой защиты
поверхностей пристенными газокапельными струями.
Результаты, полученные на аэрозольном стенде, позволили изучить
процессы, влияющие на теплообмен импульсного газокапельного потока и
теплообменника и создать малогабаритные и эффективные охлаждающие
устройства для электронной промышленности, энергетики, в аэрокосмической
отрасли.
Измеритель концентрации компоненты в смеси жидкости нашел
применение в нефтяной отрасли для измерения количественного содержания
влаги в поднимаемой из скважины нефтесодержащей смеси. Измеритель
влажности водонефтяной смеси включен в список российских приборов
регистрации расхода нефти у скважины (прибор имеет патент на полезную
модель за №85227).
Предложенный метод регистрации динамики изменения концентрации
компоненты при испарении капли бинарной жидкости, полученные результаты
позволили
усовершенствовать
математическую
модель
испарения
многокомпонентных жидких смесей топлива (в том числе компонент ракетных
топлив и других токсичных веществ).
Использование малонапорного расходомера и автоматизированного
аппаратно-программного комплекса для исследования параметров течения
жидкости ректификационной колонны позволили получить систематические
данные по распределению жидкости по сечению насадки в различных режимах
работы.
На защиту выносятся:
1. Многоканальная широкополосная аппаратура на основе емкостного метода
для регистрации параметров неоднородных потоков жидкости и разработанная
методика его применения.
6
2. Метод и результаты измерения волновых параметров криогенной пленки
жидкости, пленки воды, распространяющейся по поверхности с нагревателем и
без него; результаты исследования регулярной структуры, возникающей в
неизотермической пленке жидкости, стекающей по вертикальной пластине.
3. Метод и результаты исследования локальной толщины пленочного потока
жидкости на внутренней поверхности канала круглого сечения, осажденного из
пристенной газокапельной струи; метод измерения локальной толщины пленки
криогенной жидкости на внутренней поверхности прямоугольного миниканала;
характеристики пристенной пленки жидкости на выходе сопла со спутным
высокоскоростным потоком газа в вакууме.
4. Метод и результаты регистрации динамики изменения концентрации
компоненты в капле смеси чистых жидкостей при испарении в потоке воздуха.
5. Аппаратура,
использующая
эффект
разного
поглощения
с.в.ч.
электромагнитного излучения водой и нефтью для регистратора влажности в
потоке водонефтяной смеси текущей в закрытом канале.
6. Результаты комплексного исследования теплообмена между импульсным
газожидкостным потоком и нагретой поверхностью теплообменника;
определение структуры капельного потока.
7. Автоматизированный аппаратно-программный комплекс и методика его
применения для исследования распределения жидкости на структурированной
насадке в крупномасштабной промышленной модели дистилляционной колонны.
Личный вклад автора заключается в постановке задачи, в теоретическом
обосновании, разработке методов и способов экспериментальных измерений
физических параметров, проектировании аппаратуры, исследовании образцов
аппаратуры, проведении и обработке результатов экспериментов.
Реализация и внедрение результатов исследований
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении
научно-исследовательских работ, выполненных в ФГБУН Институте
теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии
наук (ИТ СО РАН) и при выполнении хоздоговорных работ.
Разработанные метод и аппаратура определения влажности смеси легли в
основу многофазного расходомера «Метран-Н-50» - прибор прошел
промышленные испытания, запатентован (патент на полезную модель №85227) и
подготовлен к производству.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на
российских и международных симпозиумах и конференциях: 3-я Международная
научно-техническая конференция «Микропроцессорный системы автоматики»
(Новосибирск, Россия, 1996); международная конференция «Теплофизика-96»
(Обниск, Россия, 1996 г.); 5-я, 6-я Всероссийская конференция молодых ученых
«Актуальные вопросы теплофизики и гидродинамики» (Новосибирск,
7
Россия,1998,2000); 13-я школа-семинар молодых ученых и специалистов под
руководсвом акд. А.И. Леонтьева «Физические основы экспериментального и
математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в
энергетических установках» (С.-Петербург, Россия, 2001); Proceedings of the 3-d
Intern. Conference on Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology For
the Process Industries, (Davos, Switzerland, 2001); Proceedings of the 5th World Conf.
Of Experimental Heat Transfer, Fluids Mechanics and Thermodynamics (EXHFT – 5)
(Thessaloniki, Greece, 2001); Intern. Conference «Experimental Heat Transfer, Fluid
Mechanics, and Thermodynamics» (Pisa, Italy, 2001); 11th, 12th, 13th, 14th International
Conference on the Methods of Aerophysical Research, ICMAR (Novosibirsk, Russia
2002, 2004, 2007, 2008); 1-я научная школа-конференция «Актуальные вопросы
теплофизики и физической гидродинамики» (Алушта, 2003); Сибирский
теплофизический семинар, посвященный 90-летию академика С.С. Кутателадзе
(Новосибирск, Россия, 2004); 12th Int. conf. on the Method of aerophysical Research
(Novosibirsk, Russia, 2004); 28-й Сибирский Теплофизический Семинар,
посвященный 70-летию академика В.Е. Накорякова (Новосибирск, Россия, 2005);
4-я Российская национальная конференция по теплообмену (Москва, Россия,
2006); 3-й, 5-й, 6-й Международный научный конгресс «ГЕО-СИБИРЬ»
(Новосибирск, Россия, 2007, 2009, 2010); 3th, 4th International Topical Team
Workshop on TWO-PHASE SYSTEMS FOR GROUND AND SPASE
APPLICATION (Brussels, Belgium and Novosibirsk, Russia, 2008, 2009); 7 th
International Symposium on Heat Transfer (ISHT”08) (Beijing, China); 7-я научная
конференция «СОВРЕМЕННАЯ НАУКА: исследования, идеи, результаты,
технологии (Алушта, Украина, 2009); 1-я Международная конференция
«Процессы самоорганизации в высыхающих каплях многокомпонентных
жидкостей: эксперименты, теории приложения (Астрахань, Россия, 2010);
International Conference on Automation, Control and Information technology (ACIT
2010) (Novosibirsk, Russia, 2010); 23 rd European Conference on Liquid Atomization
and Spray Systems (Brno, Czech Republic, 2010); 15 TH International Conference
Methods of Aerophysical Research (ICMAR) (Novosibirsk, Russia, 2010);
Всероссийская конференция «29-й Сибирский Теплофизический Семинар»
(Новосибирск, Россия, 2010); 24th European Conference on Liquid Atomization and
Spray Systems (Estoril, Portugal, 2011); The 7th International Symposium on
Measurement Techniques for Multiphase Flows (Tianjin, China, 2011); Sixth
International Conference on TWO-PHASE SYSTEMS FOR GROUND AND SPACE
APPLICATIONS (CAVA DE’ TIRRENI (NAPOLI), ITALY, 2011); Spring World
Congress on Engineering and Technology (SCET2012) (Xi’an, China, 2012); 12th
International Conference on Liquid Atomization and Spray System(Heidelberg,
Germany, 2012); 14-й минский международный форум по тепло- и массообмену
(Минск, Беларусь, 2012).
Публикации
Основные научные результаты диссертации опубликованы в 25 научных
статьях в центральных научно-технических журналах и тематических сборниках,
8
17 из которых входят в перечень, рекомендованный ВАКом. На новую
конструкцию многофазного расходомера нефтяной смеси получено авторское
свидетельство.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, общих выводов и
списка цитируемой литературы, включающего 240 наименование. Общий объем
работы - 273 страницы машинописного текста, включая 157 рисунка и 6 таблиц.
В главе первой проведен обзор методов исследования двухфазных
потоков в теплофизике. К двухфазным относят среды, состоящие из
компонентов, находящихся в различных агрегатных состояниях. Пленочные
потоки выделяют часто в отдельный тип потоков, но течение пленки по
поверхности также относится к двухфазным течениям, где присутствуют две
фазы – жидкость, газ.
Проведение измерений в многофазных потоках затрудняется тем, что
такие течения в общем случае характеризуются структурной неоднородностью,
термической и динамической неравномерностью, т.е. компоненты, составляющие
среду, могут иметь различные температуру и скорость при переменном поле
концентрации фаз и различных структурных формах течения в ядре потока и на
периферии. Поэтому к методам и средствам диагностики неоднородных сред,
наряду с величиной допустимой погрешности измерений, простотой и
доступностью применения выбранного метода, предъявляют и специальные
требования. Это прежде всего нежелательность воздействий, вносящих
возмущение в структуру потока и инициирующих фазовые превращения.
Разнообразие течений, объединенных в общий класс, называемый
неоднородный поток, не дает возможности применения единой методики и
техники измерений физических параметров потока. Так, измерение скорости
пленочного потока, суспензий, эмульсий, паро- и газожидкостных потоков в
закрытых каналах, открытых газокапельных потоков (спрея) существенно
отличаются первичными датчиками и методам измерения.
Глава имеет три раздела. В первом проведена классификация методов
измерения тонкой пленки жидкости, текущей по открытой поверхности и
внутренним стенкам канала. Дана характеристика и описаны наиболее
применяемые методы измерения толщины пленки жидкости.
Во втором разделе главы дана характеристика существующих и наиболее
применяемых
методов измерения газожидкостных (поток жидкости с
включением пузырей газа) и газокапельных (в потоке газа движутся капли
жидкости) потоков. Методы измерения параметров этих двух потоков,
принадлежащих одному классу течений, могут отличаться, т.к. в одном случае
основной средой, в которой находятся датчики, является жидкость, в другом –
газ.
В третьем разделе приводятся сравнительные таблицы методов
исследования: отдельно для пленочных и газожидкостных потоков.
9
Обзор методов измерения первой главы был сделан на основе анализа
114 российский и зарубежных литературных источников, включающих
монографии, статьи научных журналов и материалы научных конференций.
Кроме выше перечисленных источников в написании главы были использованы
материалы, изложенные в интернете (адреса сайтов указаны в тексте и списке
литературы).
В главе 2 рассмотрены основные параметры и условия течения
пленочного, газокапельного и многокомпонентного потоков как объектов
исследования; описан высокочастотный емкостный метод для исследования
быстрых пленочных потоков; приведено описание миниатюрных локальных
контактных и бесконтактных зондов для исследования двухфазных потоков.
Оценка основных параметров пленочного потока показывает, что
первичные датчики не должны вносить возмущение в исследуемый поток; иметь
диапазон измерения толщины пленки от 0 мм до 1.5 мм (максимальная граница при измерении пленки воды). Для получения полной волновой картины на
поверхности пленки необходимо располагать зонды на расстоянии примерно 3
мм друг от друга, проводить измерения одновременно в нескольких точках, что
подразумевает
применение
многоканального
локального
измерителя.
Пространственная локальность первичных датчиков должна быть ≤ 1 мм с
периодом измерения 2 мс, что дает возможность регистрировать форму и длину
волны.
При исследовании газокапельного потока объектами измерения
являются: распределение скорости фаз по сечению струи и по направлению
движения, размер дисперсной фазы и эволюция размера дисперсных частиц при
движении в газовом потоке; изменение распределения концентрации частиц
жидкости по пути распространения. Определение распределения скорости фаз и
концентрации дисперсной фазы требует применение локальных датчиков:
min(Loc) = Sz / S, где Sz и S – площадь сенсора и площадь сканируемого сечения.
Датчики должны иметь высокую чувствительность. Т.к. в исследуемых в данной
работе газокапельных потоках значение концентрации достаточно мало ( ≤
10−4), то величина локальной концентрации может быть ничтожной.
Капельно-струйный поток характерен при стекании жидкости с нижней
части структурированной насадки в системах дистилляционного разделения. В
работе
измерялся
локальный
расхода
капельно-струйного
потока,
формировавшийся в разделительной колонне, представляющий собой сосуд
диаметром 0.9 м и высотой 6.8 м, состоящий из десяти секций. Локальный расход
капельно-струйного потока не превышает 6∙10-5 м3/с через локальное сечение
площадью 6.16∙10-4 м2. Основной сложностью измерения расхода струйнокапельного потока является отсутствие перепада давления для создания скорости
жидкости через измерительный участок.
В данной работе рассматривалась водонефтяная эмульсия при выходе из
скважины, движущаяся в закрытом канале со скоростью до 1.5 м/с – 2 м/с.
Концентрация воды в потоке может меняться во времени от нуля (течет только
нефть) до 100 % (течет только вода). На выходе скважины основной объем
10
эмульгированной воды (98%) сконцентрирован в основном в каплях больших
размеров (200 мкм). После газового сепаратора основной объем воды
представлен каплями размером 10-15 мкм (95%). Существенно увеличивается
объем эмульгированной воды в каплях размером 3 и 5 мкм. В задачу входит
регистрация влажности в потоке не хуже 5 %.
Капли бинарных смесей жидкости состоят из смеси дистиллированной
воды со спиртом (метиловым или этиловым) или ацетоном. Характерный размер
капель смеси 1.5 мм – 3.5 мм. Исследуется изменение во времени концентрации
легкоиспаряющейся компоненты капли бинарной смеси, подвешенной в
воздушном потоке разной скорости и температуры. Скорость воздушного потока
изменялась от 0 м/с до 6 м/с. Температура – от 20 0С до 100 0С.
Для исследования параметров двухфазных потоков применяется
высокочастотный емкостный метод. В основу принципа действия метода
положена зависимость емкости конденсаторного зонда Cz от величины
диэлектрической постоянной среды потока ε∑: Cz = f(ε∑). Диэлектрическая
проницаемость смеси является аддитивной величиной проницаемостей,
входящих в смесь компонентов [Алешин Ю.К. (МГУ)]. Это свойство позволяет
применить метод для измерения локальной толщины пленки жидкости; для
регистрации количества жидкой компоненты в газокапельной струе, а также
регистрации одной из составляющей в многокомпонентном потоке, в котором
диэлектрическая проницаемость одной компоненты существенно больше
величины диэлектрической постоянной остальных компонентов ε 1 >> ε2 + ε3 … +
εn.
Емкостный зонд обладает высокой чувствительностью:
(d –
расстояние от обкладки зонда и подложки с пленкой жидкости; δ – толщина
пленки жидкости), тем большей, чем меньше воздушный зазор между обкладкой
и поверхностью пленки [Алексеенко С.В., и др.]. К достоинствам также
относится и то, что датчик не вносит возмущений в пленку жидкости. И
оказывает минимальное возмущение среды при исследовании других
неоднородных потоков.
Метод измерения. Емкость зонда при взаимодействии с неоднородным
потоком имеет следующие составляющие: Сп= С0 +
С, где С0 - начальная
емкость, зависящая от конструкции зонда, подводящих проводов;
С переменная часть емкости, зависящая от величины измеряемого параметра
(толщина жидкой пленки, концентрация жидкости в потоке). Классический
способ измерения предполагает, что величина С0 известна и остается неизменной
на всем протяжении измерения (С0 = сonst). Тогда изменение емкости,
пропорциональное
измеряемому
параметру,
однозначно
определяется
следующим соотношением: С=Сп-С0.
Но в реальных условиях значение С0 меняется во времени. И величина
этого изменения может существенно превосходить полезное изменение емкости
С. Причиной нестабильности может являться температурный дрейф, как самой
емкости, так и элементов схемы, загрязнение зонда.
11
Предложенный метод относительного измерения емкости зонда сводит к
минимуму нестабильность элементов, что позволило применить емкостный
метод в исследовании неоднородных потоков.
Относительный метод измерения.
При использовании зонда, установленного над поверхностью пленки
жидкости («сухой» тип зонда), проводится регистрация емкости зонда два раза за
один цикл измерения.
Первое измерение при отсутствии пленки на подложке: Сп1 = С01 + С1;
и второе: Сп2 = С02 + С2, когда на рабочей поверхности есть пленка жидкости
толщиной δ1. Тогда Сп = Сп2 - Сп1 = С02 + С2 - С01 - С1.
И если оба измерения проведены через короткий промежуток времени
t, то С01 С02 = С0, то есть изменение С0 за счет нестабильности за время t
произошло такое, которыми можно пренебречь. В этой ситуации результат не
зависит от С0 и равен:
Сп = С2 - С1
(2.1).
В конкретной ситуации для “сухого” зонда С1= 0, так как под зондом
нет пленки жидкости. Тогда Сп = С2.
Величина Сп пропорциональна толщине жидкой пленки под зондом δ1 и
говорят, что получена относительно сухой поверхности или относительно
нулевой толщины пленки.
Рис. 2.1. Обобщенный вид зависимостей
емкости от толщины пленки жидкости:
1. Кривая зонда “сухого” типа.
2. Кривая зонда “затопленного” типа.
C0 – начальная емкость;
С - переменная
часть емкости, зависящая от толщины пленки
С = f( ); Сп – емкость зонда,
соответствующая толщине пленки δ1 для
кривой 1, и δ2 – для кривой 2; С - величина
соответствует изменению емкости зонда Сп =
f(δ2) до насыщения Сн = f(δн).
На рисунке 2.1 показаны обобщенные зависимости емкости зондов
“сухого” и “затопленного” типов.
На графике видно, что измерения относительно сухой поверхности
оправданы только для зонда “сухого” типа (кривая 1). Для него на участке тонких
пленок емкость зонда слабо зависит от толщины пленки, потому что кривая
асимптотически стремится к нулю. Это значит, что если даже величина С1 из
равенства (2.1) не будет равняться нулю ( С1 0) из-за тонкой пленки, которая
может остаться на поверхности, это незначительно повлияет на погрешность
измерения.
12
Для зонда “затопленного” типа (рис. 2.1, кривая 2) кривая емкости с
увеличением толщины пленки асимптотически стремится к постоянной
величине, называемой емкостью насыщения Сн. Поэтому, при регистрации
относительным способом “затопленным” зондом, необходимо одно из измерений
делать на толщине пленки, при которой емкость зонда достигла своего
предельного значения Сн, и уже не зависит от толщины пленки жидкости над
зондом.
Относительный способ измерения для “затопленного” зонда реализуется
следующим образом: за один цикл делаются измерения Сп1, когда на рабочей
поверхности участка есть пленка δ2 (см. рис.2.1), соответствующая
определенному расходу жидкости: Сп1= С01 + С1, и Сп2 при толщине пленки,
соответствующей насыщению емкости зонда: Сп2 = С02 + С2.
Здесь
С1 и
С2 - изменение емкости зонда от толщины пленки
жидкости при исследуемом расходе и режиме, обеспечивающем насыщение
емкости зонда, соответственно; С01 и С02 - значение начальной емкости в
моменты времени t1 и t2 соответственно; t1 и t2 - моменты измерения емкости Сп1
и Сп2 соответственно.
Исследования дрейфа показали, что существует интервал времени дt= t2
- t1, когда изменение С0 за счет нестабильности пренебрежимо мало, то есть С02
С01. В этом случае Сп2 - Сп1= С02 + С2- С01 - С1 = С2 - С1.
Для затопленного зонда С= С2 - С1. Эта величина соответствует
изменению емкости зонда от толщины пленки рабочего расхода до насыщения
(рисунок 2.1 кривая 2). Зная С и величину емкости Сн (эта величина зависит от
конструкции зонда и определяется тарировкой или расчетом), можем найти
значение емкости Сп1, соответствующее толщине пленки жидкости исследуемого
расхода: Сп1= Сн - С. Можно сказать, что толщина пленки жидкости определена
относительно насыщения.
Емкостный зонд. В литературе имеются примеры использования
локальных емкостных зондов нескольких типов, в основном близких по форме к
плоскому конденсатору. В данной работе в качестве емкостного зонда
используется зонд коаксиального типа (рис. 2.2).
Зонд, расположенный над поверхностью с текущей по ней пленкой
жидкости и не имеющий контакта с жидкостью, называется «сухим» зондом.
«Сухой» зонд устанавливается перпендикулярно к пластине и позволяет
Рис. 2.2. Коаксиальный зонд.1 – внутренний
электрод; 2 – изолятор; 3 – экран; LZ1+LZ2 –
длина зонда; LZ2 – отступ экрана; D1 –
диаметр внутреннего электрода; D1 –
внутренний диаметр экрана электрода; D3 –
внешний диаметр экрана.
13
измерять пленку толщиной от нуля до высоты расположения зонда. «Сухие»
емкостные зонды отличаются друг от друга соотношениями диаметров
D1×D2×D3 и длиной внутренней жилы и экрана LZ1 и LZ2 (рис. 2.2).
Для измерений толщины пленки жидкости в канале используется
“затопленный” зонд. К поверхности, по которой течет пленка жидкости, зонд
подводится через стенку канала. Он представляет собой коаксиал со сплошным
изолятором между металлическими цилиндрами, и его емкость существенно
меняется только при изменении толщины пленки в пределах диаметра
центрального электрода.
Для зондов «затопленного» типа проводился сравнительный анализ
изменения емкости от толщины пленки над зондом внутри каналов
прямоугольного профиля с шириной стенки 7 мм и круглого канала с радиусом
7.5 мм с плоской пленкой над зондом и с пленкой, повторяющей поверхность
сферы. Анализ показал для сферического и прямоугольного каналов самое
большое отличие С составляет около 2%. Малая погрешность позволяет
применить тарировочные данные, полученные на плоской модели,
для
цилиндрических и сферических подложек и каналов.
В зависимости от конструкции и геометрии существует зона
чувствительности, которая увеличивает линейные размеры зонда за счет
внешнего электрического поля. Распределение напряженности электрического
поля за пределами физического размера зонда вносит искажения в данные при
измерении формы волн.
Анализ результатов расчета и экспериментального исследования
емкостных зондов позволили сделать следующие выводы:
- с увеличением толщины пленки чувствительность зондов «сухого» типа
растет, а у зондов затопленного типа уменьшается;
- диаметры зон чувствительности зондов «сухого» типа по уровню 0.1 сигнала
без экрана в 3.6 раза превышает диаметр зонда, а зонда с экраном - в 2.6 раза.
Волны длиной, меньшей зоны чувствительности зонда, регистрироваться будут с
искажениями;
- для «сухого» типа зонда экранирование в полтора раза уменьшает диаметр
эффективной зоны, но при этом в 5 раз уменьшает чувствительность при малых
толщинах пленки, следовательно, экранирование целесообразно только при
наличии запаса чувствительности, которым можно пожертвовать ради
незначительного улучшения пространственного разрешения или устранения
влияния аэрозолей на измерения;
- зона пространственной чувствительности для зонда «затопленного» типа
зависит от диаметра центрального электрода и отношения диаметров
центрального электрода к внутреннему диаметру экрана. Для них зона
пространственной чувствительности соизмерима с внутренним диаметром
экрана;
- увеличение диаметра «затопленного» зонда увеличивает диапазон измерения
толщины пленки, но уменьшает пространственное разрешение;
14
В третей главе рассматриваются принципы построения и
функционирования разработанной измерительной аппаратуры для исследования
двухфазных потоков емкостным методом. Дается описание электрической части
емкостного датчика, его конструкции, аппаратной части вторичного
преобразователя. Описывается программа регистрации и обработки данных.
Приводится анализ погрешностей измерителя.
Разработанный комплекс аппаратуры и программ на основе емкостного
метода имеет следующие характеристики:
1. Максимально число каналов измерения – 8;
2. Минимальный период дискретизации (Т ДКР) профиля локальной толщины
пленки жидкости – 1мс;
3. Число измерения (К) за цикл - регулируемое от 10 до 5000;
4. Погрешность измерения толщины пленки жидкости (для 100 мкм) – 4%;
5. Возможная систематическая погрешность измерения толщины пленки:
- «сухого» зонда – минус 2.5%,
- «затопленного» – плюс 2.5 %;
6. Архивирование измеренных данных в компьютере;
7. Возможность вывода результатов измерения по всем каналам на монитор
компьютера в виде графиков;
8. Вычисление: средней толщины пленки, величины остаточного слоя,
минимального и максимального значения толщины пленки (амплитуда волн).
Для организации измерительного процесса в теплофизическом
эксперименте предложено следующее построение измерительного оборудования:
(рис. 3.1):
1. Первичный преобразователь состоит из зонда и части оборудования,
выполняющего преобразование локальной толщины пленки жидкости в
электрический сигнал. Первичный преобразователь, имеющий небольшие
габариты, можно устанавливать в ограниченных по объему сосудах (криостат)
или в сооружениях с агрессивной средой (вакуумная камера).
2. Вторичный преобразователь выполняет функции измерения и передает
цифровой информационный сигнал в компьютер. Эту часть оборудования можно
устанавливать вне экспериментального пространства (на внешней части
криостата или вакуумной камеры).
3. Компьютер управляет экспериментом, является средством обмена данными с
внешними устройствами, архивирования, обработки и отображения получаемой
информации.
Емкостный датчик локальной толщины пленки жидкости состоит из
двух LC-генераторов – опорного (ОГ) и измерительного (ИГ). Рабочая частота
генераторов около 30МГц.
Толщина измеряемой пленки жидкости влияет на величину емкости
зонда (С=f( )). Изменение емкости приводит к изменению частоты сигнала ИГ
(FИГ=1/(2 [LC] 1/2). Сигнал измерительного генератора, настраиваемый на 100
кГц ниже частоты опорного генератора (ОГ), складывается с сигналом ОГ
сумматором ( ).
15
1.1
ОГ
ИГ
2.1
АД
ФН Ч
ФИ
зонд
Вкл /Выкл ИГ
ЭЧ
фнч цап-шим
БОК
1.2
2.2
. . .
. . .
1.8
2.8
Рис.3.1. Структурная схема 8-ми
канального емкостного измерителя
локальной
толщины
пленки
жидкости.
3
Компьют. PC LPT- порт
Аппаратная часть вторичного преобразователя состоит из 8-ми
индивидуальных измерительных каналов. Каждый канал содержит амплитудный
детектор, фильтр нижних частот, формирователь прямоугольных импульсов
(ФИ), электронный частотомер (ЭЧ), формирователь сигналов переменной
скважности ЦАП-ШИМ с фильтром, исполнительное устройство включениявыключения ИГ и блок обмена с компьютером.
Принцип работы измерительного канала заключается в следующем: из
выходного сигнала емкостного датчика с помощью амплитудного детектора (АД)
и фильтра нижних частот (ФНЧ) выделяется низкочастотная составляющая с
частотой F=f( )=Fог – Fиг. Частота сигнала измеряется блоком электронного
частотомера и с помощью блока обмена с компьютером (БОК) параллельным
цифровым кодом через LPT-порт поступает в ЭВМ. Измерение по всем каналам
проходит одновременно по команде из компьютера с частотой 1 кГц.
Программное обеспечение измерителя разработано в системе
программирования Delphi 3 для операционной системы Windows.
Программа состоит из системы сервисов для настройки измерителя,
проведения измерений и расчетов, а также окна графического просмотра файлов
данных с возможностями масштабирования и палетки. Программа позволяет:
1. Выбирать для измерений любую комбинацию из набора 8-ми датчиков,
подключаемых к измерителю.
2. Задавать длительность измерения.
3. Задавать период дискретизации (1 мс, 2 мс, 3 мс,..).
4. В автоматическом или ручном режимах настраивать генераторы каждого
датчика на выбранную частоту.
16
5. Автоматически поддерживать настройку генераторов весь период измерения.
6. Управление в реальном времени вводом экспериментальных данных
(включение/выключение рабочего датчика, измерение частоты поступающего
сигнала из датчика).
7. Проводить первичную обработку экспериментальных данных (вычисление
толщины пленки азота в соответствии с калибровкой измерительного датчика,
учет нелинейной зависимости толщины пленки от частоты, нахождение среднего,
минимального и максимального значений толщины пленки).
8. Архивировать экспериментальные данные частоты, емкости зонда и толщины
пленки (запись результатов измерений в файл на жестком диске).
9. Представление результатов измерений в графическом виде на экране
монитора (график изменения входной частоты во времени, график изменения
емкости зонда во времени, график мгновенной толщины пленки).
10. Просмотр архивных данных.
Погрешность измерения. Источниками погрешностей служат:
первичный датчик, усилитель-компаратор, электронный частотомер, обработка
результатов измерений.
В таблице 3.1 показаны значения приведенной погрешности измерения
толщины пленки жидкого азота
, полученной в результате суммирования
погрешностей. Операция суммирования проделана по правилам теории ошибок с
вероятностными величинами (с. к. о.) с учетом законов распределения
погрешностей.
Погрешность калибровки относительно «нулевой» пленки сдвигает
результат измерения на 2.5% в сторону уменьшения толщины пленки, т.е. может
давать систематическую ошибку. При этом случайная погрешность
будет
распределена вокруг величины ожидаемой систематической погрешности.
То же происходит при калибровке по насыщению. Но систематическая
ошибка на 2.5 % изменит результат измерения в сторону увеличения.
Приведенная погрешность измерения толщины пленки жидкого азота.
Таблица 3.1
Погрешность
Погрешность
Толщина пленки , мкм
«сухого» зонда, %
«затопленного» зонда, %
10
20
1
50
10
4
100
4
4,5
200
2,5
5
500
1
6
Динамическая погрешность. Для динамической тарировки и получения
частотных характеристик была создана специальная установка, на которой
имитировались движение волн разной длины относительно датчика. Результатом
17
исследования емкостного измерителя на этой установке явилась амплитудночастотная характеристика, представляющая собой семейство кривых
коэффициента передачи k от длины волн при разной скорости V перемещения
их под датчиком с «сухим» типом зонда.
Погрешность восстановления волны является систематической – она
всегда отрицательна и приводит к уменьшению восстанавливаемой амплитуды
волн с уменьшением их длины и скорости перемещения волн под датчиком. Ее
численное значение было найдено из амплитудно-частотной характеристики и
использовано для оценки точности регистрации или введения поправки в
результат измерения (с помощью прямого и обратного Фурье-преобразования).
В четвертой главе описывается метод применения оборудования для
исследования параметров пленочных потоков азота, воды, спирта,
водоспиртового раствора, текущих по вертикальной пластине и по внутренним
стенкам канала круглого и прямоугольного сечения, разного размера со спутным
течением газа с истеканием в разную среду. Приводятся схемы расположения
емкостных зондов на рабочих участках, измеренные данные и данные,
полученные в результате обработки первичной информации.
Проведение эксперимента по исследованию двухфазного потока в
закрытых экспериментальных установках (криостате, вакуумной камере)
является сложным мероприятием, т.к. нет доступа к рабочему участку во время
работы установки; установка имеет сложное вспомогательное оборудование для
поддержания режима работы экспериментальной установки (температура,
давление и др.), влияющих на свойства вещества и способных исказить данные.
При криогенной температуре элементы аппаратуры работают в
критическом режиме. Это приводит к тому, что амплитуда выходного сигнала
первичных емкостных датчиков при криогенной температуре уменьшается в разы
по сравнению с амплитудой при комнатной температуре, как следствие, это
сказывается на уменьшении отношения сигнал/шум. Собственная частота
генерации измерительных и опорных генераторов повышается от 30 МГц
(настройка при комнатной температуре) до 40 МГц – 50 МГц при криогенной
температуре. Температурный дрейф частоты неодинаков для пары генераторов:
измерительный и опорный первичного емкостного датчика. Следовательно, в
аппаратуре необходимо выполнить комплекс мероприятий, предусматривающий
увеличение запаса по усилению первичного сигнала с одновременным
уменьшением влияния помех на полезный сигнал; увеличить диапазон работы
регулирующих элементов для подстройки частоты генерации опорного и
измерительного генераторов на требуемое соотношение частоты между ними.
При исследовании криогенной пленки на плоской поверхности
используются зонды «сухого» типа, для которых необходимо за один цикл
провести измерения емкости с пленкой жидкости на поверхности и без нее. Для
этого над поверхностью, выше по потоку установлена пластина, которая в
нужный момент времени прижималась к поверхности и отводила пленочный
поток в сторону. Тем самым поверхность освобождалась от жидкости и
осушалась. В адиабатических условиях полное освобождение подложки от
18
пленки жидкости занимает некоторое время (~ 1 с). Поэтому на время циклов с
относительным измерением необходимо увеличить продолжительность
регистрации, для освобождения поверхности от жидкости в районе установки
зондов.
В
случае
экспериментов
с
локальным
источником
тепла
(неадиабатические условия) устранение жидкости с поверхности зависит от
подводимого тепла, но, по наблюдениям, не превышает 500 мс для любого
значения теплового напора.
Для относительного измерения пленки жидкости в миниканале
предусмотрена возможность почти мгновенно заполнять канал жидким азотом,
создавая режим насыщения для «затопленных» зондов. Для этого на выходе
канала установлен запорный клапан, при закрытии которого и одновременном
увеличении расхода канал за доли секунды заполняется жидкостью.
Адиабатические условия. Пленка жидкого азота стекала по поверхности
вертикальной металлической пластины шириной 75 мм и длиной 210 мм. Четыре
емкостных датчика были размещены перпендикулярно к направлению движения
пленки. Расстояние между датчиками 4мм. Датчики были расположены в области
развитого волнового течения на расстоянии 195 мм от распределителя жидкости.
Измерения на пластине проводились зондами «сухого» типа с диаметром
электрода 0.5 мм без экрана. Расстояние между электродом и рабочей пластиной
h = 400 мкм.
Неадиабатические условия. Емкостные датчики с диаметрами 0.5 мм
1 мм 2 мм (D1 D2 D3) и отступом экрана LZ2 = 2 мм были установлены над
локальной тепловыделяющей поверхностью. Расстояние между зондами и
поверхностью пластины h = 300 мкм. Три емкостных зонда расположены вдоль
вертикальной линии по направлению течения пленки жидкости в нижней части
зоны тепловыделения с расстоянием между первым, вторым и третьим 3 и 4 мм,
соответственно. Такое расположение сенсоров, информация с которых
регистрируется одновременно в реальном времени, позволяет исследовать
динамику изменения локальной толщины интенсивно испаряющейся пленки
жидкости на тепловыделяющей поверхности и получить соответствующие
опытные данные по волновым характеристикам пленочного течения. Четвертый
датчик расположен на одной горизонтальной линии левее первого верхнего
датчика на расстоянии 3.5 мм от него. Наличие двух датчиков в горизонтальной
плоскости позволяет проследить за динамикой развития «сухих» пятен в
поперечном направлении по отношению к направлению течения жидкости.
Примеры измерений локальной толщины пленки жидкости на
вертикальной поверхности с локальным нагревателем приведены на рисунке 4.1
для случая с нагревом локального участка и без него.
Используя данные локальной толщины пленки жидкости, мы получили:
1) плотность вероятности толщины пленки жидкости при различных значениях
теплового потока; 2) данные спектральной плотности толщины пленки жидкости
для различных плотностей теплового потока и расходов жидкости; 3)
зависимости средней толщины пленки и минимальной толщины остаточного
19
200
-6
ср.=30.8*10 м
100
q = 1.2*10 Вт/м 2 Reлок.= 73
4
0
0
400
800
1200
1600
2000
1600
2000
1600
2000
1600
2000
10 - 6 м
200
-6
ср.=39.8*10 м
100
3
Reлок. = 78
2
q = 9.9*10 Вт/м
0
0
400
200
800
-6
ср.=52.6 *10 м
1200
3
лок.
2
q = 7.6 *10 Вт/м Re
= 81
100
0
0
400
800
200
1200
q = 6.2 *10 Вт/м2 Reлок.= 87
3
ср.= 64.5 *10 м-6
100
0
0
400
200
800
-6
ср.= 64*10 м
1200
-6
ост. = 48.5*10 м
q = 0 Reвх. = 103
100
0
0
400
800
10 – 3 с
1200
1600
2000
Рис. 4.1. Зависимость мгновенной толщины пленки жидкого азота от времени при
различных плотностях теплового потока. Reвх = 103. Расстояние от начала
тепловыделяющей поверхности 19 мм.
слоя от плотности теплового потока при различных числах Рейнольдса; 4)
зависимость фазовой скорости волн на поверхности пленки от теплового потока
для различных чисел Рейнольдса.
В стенки вертикального прямоугольного канала с размером широкой
7.1 мм и узкой 2.6 мм сторон установлены коаксиальные емкостные датчики
«затопленного» типа. Центральный электрод диаметром 0.45 мм (D1) изготовлен
из платиновой проволоки, вваренной в стеклянный капилляр.
Внешний электрод представляет собой трубку нержавеющей стали с
внутренним и внешним диаметрами (D2 и D3) 1.6 мм и 2 мм. Измерения
толщины пленки проводились в области установившегося течения.
Рис.4.2. а – профиль толщины пленки жидкого азота; б – амплитудно-волновой
спектр. Течение без газа. 1 – широкая сторона; 2 – узкая сторона.
Результат измерения локальной толщины пленки жидкого азота на
внутренних стеках миниканала показан на рис. 4.2.
20
Исследование пленки жидкости осаждаемой на внутреннюю стенку
круглого вертикального канала из капель пристенных двухфазных струй при
наличии спутного потока воздуха проводилось в канале диаметром D = 100 мм и
длиной L = 640 мм.
На вход канала подавался коаксиальный поток, состоящий из
однофазного центрального (основного) потока и газожидкостной пристенной
струи (вторичный поток).
Вторичный поток представлял собой газожидкостную смесь и подавался
через кольцевую пристенную щель высотой 5 мм. Расход газовой фазы (сухой
воздух) через кольцевую щель оставался постоянным GВ ~ 43 г/с (wS = 25 м/с), а
массовая концентрация водяных капель составляла 0, 1.6, 2.6, 5 и 10 %. Водяной
аэрозоль создавался впрыском 30%-го раствора этанола и дистиллированной
воды через 44 равномерно расположенные по окружности форсунки внутренним
диаметром 0.5 мм. Средний размер образующихся при этом капель жидкости
составлял ~200 мкм.
Измерение пленки осажденной жидкости проводилось емкостным
зондом «затопленного» типа, выполненного в виде коаксиала с диаметром
внешнего электрода 1.5 мм × 1.3 мм (наружный и внутренний диаметры) с
центральным электродом диаметром 0.5 мм. Зонд устанавливался заподлицо к
внутренней поверхности канала подводом с наружной стороны через тело
стенки.
Power
5,0x10-1
4,0x10-1
3,0x10-1
2,0x10-1
1,0x10-1
0,0
0
10
20
30
40
50
Частота(Гц)
Рис. 4.3. Профиль локальной толщины пленки 30%-го раствора спирта в воде на
внутренней поверхности канала круглого сечения (а) и амплитудный спектр (б). Re=2,85.
Спутного газа нет.
На рис. 4.3 приведены впервые полученные результаты измерения
профиля локальной толщины пленки жидкости в круглом вертикальном канале
без спутного газа для Re =2.85 (а) и кривые амплитудно-частотного спектра (б).
Исследования истечения жидкости из сверхзвуковых сопел
проводилось в рамках решения задачи уменьшения внешнего загрязнения
космических аппаратов, включая Международную космическую станцию, от
работы двигателей ориентации и управления. В таких двигателях для охлаждения
стенок сопла используется пристенная пленка топлива, которая при работе
21
двигателя может в виде капель попадать на внешние поверхности космического
аппарата. Задача заключалась в разработке на основе модельных экспериментов
рекомендаций для радикального уменьшения загрязнения поверхностей
космических аппаратов с помощью газодинамических защитных устройств,
устанавливаемых вблизи сопел двигателей ориентации.
В модельных экспериментах использовалось сверхзвуковое сопло с
диаметром критического сечения 10 мм, выходного - 20 мм и длиной
образующей 20 мм. На стенку в дозвуковой части сопла через кольцевую щель
подавалась
жидкость.
Одновременно в сопло подавался
газ, и происходило спутное
сверхзвуковое истечение газа с
пристенной пленкой жидкости в
вакуум.
Схема
установки
емкостных
датчиков
в
сверхзвуком сопле показана на
рис. 4.4.
Четыре
емкостных
датчика 2 расположены через 900
относительно друг друга в 2 мм
Рис. 4.4. Установка датчиков.
от выходной кромки сопла. Для
измерения скорости распространения пленки и фазовой скорости волн на ее
поверхности на 5 мм выше по потоку над одним из нижних установлен пятый
датчик 1. Емкостные зонды коаксиальной конструкции с внешним электродом
размером 2 мм × 1.6 мм (внешний и внутренний диаметры) и центральным
электродом диаметром 0.5 мм подводились к точкам измерения через стенку
канала с наружной стороны и устанавливались заподлицо с внутренней
поверхностью сопла.
Эксперименты по истечению в вакуум проведены на крупномасштабной
газодинамической установке «ВИКИНГ» Института теплофизики СО РАН,
объем вакуумной камеры которой составляет 150 м3.
На рис. 4.5 показана временная диаграмма толщины пленки этанола при
истечении в вакуум без спутного потока газа (а), расходом жидкости Gl = 1.2 г/с,
и со спутным газовым потоком (б), давлении торможения газа p0 = 100 кПа.
На поверхности наблюдаются сильные пульсации амплитуды из-за
кипения этанола в вакууме. При течении со спутным потоком газа кипение не
наблюдается, потому что давление газа над пленкой выше давления насыщенных
паров этанола при данной температуре.
Обработка первичных данных позволила получить кривые спектральной
плотности пульсаций; зависимость средних значений толщины пленки от
скорости спутного газового потока; определить периодическую структуру,
возникающую в виде последовательности крупных волн на поверхности пленки
при истечении потока в вакуум со спутным газом; провести сравнение скорости
распространения пленки и скорости волн на ее поверхности, определить
22
Рис.4.5. Толщина пленки этанола при истечении в
вакуум. a – без спутного потока газа; б – с газовым
потоком (p0 = 100 кПа).
количество жидкости, срываемой с поверхности пленки и уносимой спутным
потоком газа.
Исследование с помощью многоканального емкостного измерителя
регулярных волновых образований (ручейков, ривулетов (англ.)).
Возникающие на плоском нагревателе регулярные волновые
образования, которые интенсифицируют теплообмен, обнаружены сравнительно
недавно и подробно еще не исследованы. Задача экспериментального
исследования впервые подтвердить теоретическое предположение о росте
относительной амплитуды волн на поверхности пленки в межструйной области;
впервые провести изучение поведения волн на вершине ручейков.
В серии экспериментов было проведено 1) сравнение измеренных
параметров пленки в отсутствии теплового потока с данными полученными
другими исследователями для изотермической пленки жидкости; 2) сравнение
данных, полученных емкостным методом с результатами измерения волоконнооптического датчика отражательного типа, установленного со стороны
свободной поверхности пленки в межструйной области; 3) сравнение данных,
полученных с помощью емкостного метода, с результатами, полученными
флуоресцентным методом; 4) впервые исследовано поведение волн на
поверхности струй при числах Рейнольдса Re = 20-40 от теплового потока; 5)
экспериментально подтвержден теоретический прогноз об увеличении
относительной амплитуды волн в межструйной области с ростом теплового
потока; 6) изучение динамики деформации поверхности пленки при
формировании струйных регулярных структур от увеличения плотности
теплового потока, подводимого к поверхности теплообменника.
Экспериментальное исследование формирования струй в пленке воды
проводилось на вертикальной пластине с нагревателем размером 150 × 150 мм.
При течении пленки воды в области исследуемых значений Re на поверхности
23
нагревателя реализовывалось условие q = const. Расстояние от
распределительного устройства до нагревателя Xn равнялось120 и 200 мм. Число
Рейнольдса пленки изменялось от 20 до 40 (Re = Г/µ, где Г – удельный массовый
расход жидкости на единицу ширины пленки, µ - коэффициент динамической
вязкости жидкости). Начальная температура жидкости равнялась T0 = 24 0C.
В экспериментах были использованы емкостные зонды «сухого» типа.
Емкостный зонд коаксиального типа был направлен выступающим за пределы
экрана центральным электродом перпендикулярно к плоскости рабочего участка
со стороны стекающей пленки жидкости. Диаметр центрального электрода D1 =
0.5 мм, отступ экрана относительно торца центрального электрода Lz2 = 2 мм,
внутренний и внешний диаметры экрана D2 = 0.8 мм и D3 = 1 мм. Между
центральным электродом и экраном находится полихлорвиниловый изолятор с
диэлектрической проницаемостью ε = 5.
Емкостные зонды объединялись в измерительные головки разной
конструкции, которые применялись на разных этапах экспериментального
исследования.
Первая конструкция содержит две пары зондов. Одна пара,
последовательно друг за другом по потоку, установлена в межструйной области,
другая в районе течения струи. Расстояние между датчиками в паре было
неизменным и составляло 12 мм. Расстояние между парами можно было менять
на всю ширину пластины, что позволяло устанавливать парные зонды в местах,
интересных для исследования. В экспериментах реальное расстояние между
парами зондов составляло от 16 мм до 30 мм. Измерительная головка данной
конструкции позволила получить данные о толщине пленки жидкости во
времени, форме волны, частоте волн на поверхности пленки. Одновременная
регистрация данных пары датчиков, расположенных последовательно друг за
другом по потоку, позволила определить фазовую скорость волн в зависимости
от теплового потока.
В следующей конструкции использовалось восемь емкостных датчиков,
расположенных в линию с расстоянием 2.5 между ними. Устанавливалась
измерительная головка с тем расчетом, чтобы межструйная область и область
струи находились в зоне действия емкостных зондов. Увеличение количества
емкостных зондов позволило провести более точный анализ динамики
деформации поверхности пленки, при изменении подводимой к рабочей
поверхности тепловой нагрузки.
Особенностью проведения измерения неизотермической пленки
жидкости является неравномерность температуры. При подаче теплового потока
жидкость нагревалась от 200С до 500С. Диэлектрическая проницаемость воды (εж)
при этом изменялась на 12.5%. Для определения влияния температуры жидкости
на погрешность определения толщины пленки были проведены специальные
тарировочные
эксперименты.
Данные
эксперименты
показали,
что
регистрируемая толщина пленки воды слабо зависит от температуры, и это легко
учитывается при обработке данных.
24
Для оценки погрешности от изменения концентрации паров воды в
воздушном зазоре между зондом и рабочей пластиной при увеличении
температуры пленки жидкости были использованы справочные данные
диэлектрической проницаемости паров воды при атмосферном давлении: ε пар =
1.006. Отличие величины εпар от диэлектрической проницаемости сухого воздуха
εв = 1 приводит к погрешности в 0.8% при измерении толщины 100-микронной
пленки воды нагретой до 1000С. Для устранения влияние осаждения конденсата
на датчики осуществляется их подогрев.
Анализ экспериментальных зависимостей относительной амплитуды A
от безразмерной плотности теплового потока q/qb (рис.4.6) показал возрастание A
от плотности теплового потока в межструйной области и убывание на гребне
струи. Относительная амплитуда A = ((hmax)ср – (hmin)ср)/hср является отношением
разницы между средними максимальной и минимальной толщинами пленки к
средней толщине в области измерений, qb.- плотность теплового потока,
соответствующая разрыву пленки.
A 1.2
1.0
Re=38
0.8
Re=33
0.6
Re=22
0.4
0.2
q/q b
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Рис.4.6. Зависимость относительной амплитуды от безразмерной плотности теплового
потока в межструйной области. Безразмерная плотность теплового потока – q/qb. qb.плотность теплового потока, соответствующая разрыву пленки.
Применение емкостного метода для измерения концентрации
компонентов в каплях бинарной смеси жидкостей с разной диэлектрической
проницаемостью. В данном разделе представлены результаты тарировки метода
и экспериментальные данные концентрации в каплях водных растворов этанола,
метанола и ацетона, испаряющихся в воздушном потоке.
Для измерений сконструирован зонд в виде коаксиально расположенных
проводников длиной 40 мм, выполняющий роль измерительного элемента и
держателя капли, которая подвешивалась на торец зонда.
25
Внешний электрод представлял собой медную тонкостенную трубку с
внешним диаметром 2 мм, внутренний − цилиндрический электрод диаметром 0.5
мм. От торца внешнего электрода, внутренний электрод выступал наружу на 1 мм.
На коаксиальную конструкцию надета фторопластовая вставка для устранения
замыкания электродов из-за проводящих свойств жидкости и одновременно
выполняющая роль держателя капли. Капля при этом, помещенная на зонде, имеет
вид полусферы, с размером в широкой части равным диаметру изолятора (3 мм).
Емкость зонда CZ является функцией объема капли Udr и
диэлектрической проницаемости εmx смеси: CZ = f(Udr;εmx). При этом εmx −
аддитивная величина, линейно зависящая от диэлектрической проницаемости
компоненты, значение которой много больше значений диэлектрической
проницаемости остальных компонент смеси [Алешин Ю.К., (МГУ)].
Для применения емкостного метода в измерении концентрации
компоненты в смеси капли была проведена серия экспериментов для получения
тарировочных зависимостей: 1) показания емкостного измерителя от диаметра
капли; 2) влияние концентрации компонентов смеси на величину измеряемой
емкости для различных диаметров капли.
Подобные зависимости были получены для воды, спиртов, ацетона и их
водных растворов.
Опыты по исследованию испарения капель бинарных растворов чистых
жидкостей в потоке воздуха были проведены на аэродинамическом стенде с
температурой потока в диапазоне 20 0C ÷ 100 С и практически с нулевой
влажностью (
1% 2%). Скорость обдува капли, помещенной на выходе
канала диаметром 52 мм, составляла V = 0 м/с – 6 м/с. Поток направлялся снизу
вверх так, чтобы уравновесить силы гравитации.
70
%
концентрация,
С,C,
концентрация,
%
60
65%
65%
44%
44 %
34 %
34%
19 %
19%
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
времяиспарения,
испарения, сек
t, t,время
с
Рис.4.7. Влияние начальной величины концентрации ацетона в капле
на интенсивность испарения.
26
На рис. 4.7 показано изменение концентрации при разном начальном
содержании ацетона в капле смеси водного раствора, находящейся в воздушном
потоке скоростью 4.3 м/с и температурой 74.5 0С. Из рисунка виден нелинейный
характер изменения концентрации ацетона во времени пребывания капли в
потоке. Время полного испарения определяется начальным содержанием ацетона
в капле смеси.
Весьма существенное влияние на динамику испарения водно-ацетоновой
капли оказывает температура воздушного потока. Так, по результатам опытов, в
которых начальная концентрация ацетона была 65 %, время испарения ацетона из
капли с увеличением температуры струи с Т=21.4 0С до 74.4 0С сократилось в 3
раза. Однако последующее увеличение нагрева воздуха (до 109.2 0C) практически
не влияло на скорость испарения ацетона. Следует заметить, что резкое
сокращение времени содержания рассматриваемой жидкости в капле зависит от
температуры кипения жидкости, выше которой темп снижения концентрации K
весьма слабо меняется.
Измерения концентрации компоненты в капле были проведены также
для смесей воды с этиловым и метиловым спиртом.
Характер изменения компоненты при испарении капли этих смесей в
потоке воздуха имеет такой же вид, как при испарении ацетона. Время полного
испарения компонент для одинаковых начальных концентраций метанола,
этанола и ацетона существенно не отличаются, так как жидкости имеют близкие
теплофизические свойства.
В пятой главе описан метод измерения локального расхода жидкости,
стекающей с насадки в виде струйно-капельного потока, с целью оптимизации
эффективности функционирования промышленного массообменного аппарата.
Экспериментальная установка представляет колонну высотой 6 м и
диаметром 1 м. Для проведения комплексных измерений в колонне
предусмотрены две конструктивно идентичные измерительные секции. Секции
могут устанавливаться в выбранных сечениях, что позволяет исследовать
параметры потока по высоте колонны. Расходомер потока, термометры, линии
отбора жидкости для хроматографа расположены на подвижной каретке, которая
перемещается по направляющим флюгера, имеющего полную ось вращения
(360 ) в центре колонны. Каретка с датчиками перемещается от стенки колонны
до оси вращения флюгера. Перемещение каретки вдоль радиуса ( 0.01 мм – один
шаг двигателя) и по азимуту ( 0.02 ) осуществляется двумя шаговыми
двигателями ШД-4, управляемыми цифровым приводом по программе.
Погрешность позиционирования датчиков определяется тросовой передачей и
равна по азимуту 2 , по радиусу 2 мм. Положение каретки контролируется
программой по сигналам с резистивных датчиков положения каретки.
Пакет
программного
обеспечения
исследовательской
автоматизированной системы имеет в своем составе: программу калибровки
расходомера; программу настройки и калибровки координатного механизма;
программу расчета координатной сетки измерений расхода; программу
27
предварительной обработки и отображения данных в реальном времени;
программу архивирования данных.
Измеритель струйно-капельного потока состоит из приемника,
пузырькового расходомера и электронного блока сопряжения с ЭВ (рис.5.1).
Приемник 1 представляет собой
цилиндрический сосуд Ø30 мм и высотой
120 мм. В нижней части цилиндра
установлен
успокоитель
2,
предотвращающий попадания пузырьков
пара в измерительный тракт. Собранная
жидкость попадает в калиброванный
трубопровод 3 с жидкостным затвором 4.
Принцип действия расходомера
основан
на
измерении
времени
перемещения метки в виде парового
пузыря 5 от генератора 6 в потоке
жидкости в трубопроводе с известной
площадью поперечного сечения до
оптоэлектронной пары 7 регистратора пузыря. Управление работой прибора и
получение от него измерительных данных осуществляется компьютером через
блок согласования 8. Генератор парового пузырька работает в режиме
импульсного взрывного нагрева жидкости на малоинерционном спиральном
нагревателе и производит единичные пузыри, заполняющие все сечение
измерительного тракта. Оптоэлектронная пара регистрирует момент
прохождения фронта пузыря.
Сечение и длина трубки выбраны так, что гидравлическое сопротивление
измерительного тракта меньше движущегося напора столба жидкости в
коллекторе. Падение давления в жидкой пробке рассчитывается по методике для
однофазного течения. Падение давления в носовой и хвостовой частях пузыря
приближенно оценивается по Уоллису, как перепад давления в пробке жидкости,
равной четырем диаметрам трубы. Для рассматриваемого случая вклад пузыря
составляет 20% от трения жидкости. Доля трения однофазной жидкости в общем
перепаде давления составляет ~10%.
Динамический диапазон чисел Рейнольдса по скорости жидкого фреона
(рабочая жидкость колонны) в измерительном канале и его диаметру составляет
от 2000 до 20000. Относительная скорость пузыря Vпуз к скорости жидкости в
канале Vж (Vпуз Vж ) изменяется от 2, при малых величинах измеряемого потока
(Re=2∙103), до 1 при максимальных значениях (Re=17∙103). Для фиксации
момента прохождения пузыря важно, чтобы пузырь не дробился на более мелкие
пузыри и сохранял форму лобовой части. Поэтому верхний предел
работоспособности расходомера можно оценить из условия дробления (Уоллис):
28
V3
2
L
D2
1.1 106 - дробление пузыря начинается при скорости > 0.5 м/с. Здесь D,
L
мм – диаметр канала; µL, Па∙с – вязкость жидкости; σ, Н/м – поверхностное
натяжение. Для изменения высоты столба фреона от 10 мм до 100 мм был
выбран измерительный участок трубки Ø5 мм и длиной 40 мм.
Калибровка измерителя и отработка методики измерений проводилась на
стенде с использованием этанола в качестве рабочей жидкости. Для
достоверности показаний предусмотрена калибровка внутри колонны.
В
шестой
главе
приводятся
метрологическое
оснащение
экспериментального стенда, методика и результаты исследования по
интенсификации теплопереноса при импульсном воздействии импактной водокапельной струи на плоский теплообменник. Экспериментальная установка
(рис.6.1) состоит из
цифрового калориметра с теплообменником,
программируемого источника многоструйного импульсного спрея и
автоматизированной системы регистрации параметров.
Рис.6.1. Схема экспериментальной установки.
На выходной части источника спрея установлены матрицей 4 × 4
жидкостные инжекторы, каждый находится в окружении воздушных сопел
диаметром 350 мкм, общим числом 25 штук. Инжектор представляет собой
электромагнитный клапан, имеющий четыре выходных отверстия диаметром 125
мкм каждое. Микропроцессорное управление позволяет индивидуально задавать
каждому инжектору длительность и периодичность открытия. В экспериментах
длительность открытия жидкостных клапанов изменялась в диапазоне Tи = 2 мс –
10 мс и частотой открытия Fи = 1 Гц – 50 Гц. Скорость фаз регулируется
давлением воды и воздуха на входе жидкостного и воздушного блоков
источника.
Теплообменник, выполненный из меди с размерами в плане 140×140 мм
и толщиной 30 мм, может устанавливаться под любым углом и на любом
расстоянии относительно источника. Калориметр построен по принципу
29
регистрации (с относительной погрешностью не более 3%) в динамическом
режиме количества теплоты, полученной теплообменным модулем от источника
тепловой энергии (максимальная подводимая мощность − 6 кВт).
Установка обеспечена специальными улавливающими системами для
измерения расхода и температуры жидкой фазы аэрозоля и стекающей с рабочей
поверхности жидкости. Автоматизация установки позволяет регистрировать
интегральный тепловой поток, расходы и температуру газа и жидкости
охлаждающего аэрозоля, давление. На поверхности теплообменника установлены
датчики локального теплового потока, датчики измерения толщины осаждаемой
пленки жидкости и скорости волн на поверхности раздела фаз.
Газокапельный поток. Принцип действия измерителя однородности
структуры газокапельного потока основан на поглощении энергии в.ч.
электромагнитного поля излучателя, соединенного с генератором в.ч.-колебаний,
при взаимодействии с движущейся водяной компонентой аэрозоля.
Из уравнения плотности энергии в электромагнитной волне:
= 1/8 (ED + HB)
(6.1)
видно, что изменение плотности электромагнитной энергии прямо
пропорционально электрическим и магнитным свойствам окружающего
пространства в районе излучателя. В формуле 6.1: E, В/м
напряженность
электрического поля; D = 0 E электрическая индукция, 0 = 8.85 10-12 Ф/м
электрическая постоянная,
проницаемость среды; H, А/м напряженность
магнитного поля; В =
магнитная индукция, 0 = 1.2 10-12 Гн/м,
0Н
магнитная проницаемость среды. Магнитные свойства потока остаются
неизменными при любых соотношениях воды и воздуха и не меняют величину
электромагнитной энергии. Основное поглощение зависит от величины
диэлектрической
проницаемости
потока,
которая
пропорциональна
концентрации воды в аэрозоле (εводы = 80, εвоздуха = 1).
Длина излучателя выбрана с расчетом максимальной эффективности
излучения и равна 170 мм − четверти длины волны генератора. Измерение
концентрации жидкой фазы по сечению газокапельного потока на расстоянии L =
50 мм от поверхности теплообменника показали, что на площади равной
поверхности теплообменника отклонение от среднего не превышают 5%.
Анализ и сопоставление данных, полученных скоростной видеосъемкой
(7000 кадров/с) и локальным пьезодатчиком пульсаций позволили определить,
что при приближении области капель к теплообменнику частицы жидкости
преимущественно имеют два размера: крупные капли 120 мкм ÷ 150 мкм, и
мелкие – 45 мкм ÷ 50 мкм. При движении от источника к теплообменнику
торможение неодинаковых по размеру капель проходит в различном темпе:
крупные капли собираются в «голове» импульса, тогда как мелкие – в «хвосте».
Внутри капельных областей возникают локальные зоны повышенной
концентрации частиц жидкости.
Теплообмен. Измерения теплообмена выполнены при фиксированном
расстоянии между инжектором и теплообменником: 0.23 м. В опытах
30
поддерживалась постоянной температура поверхности теплообменника (Тw =
const), равная 700С. Эксперименты проводились при комнатных условиях.
Температуры воздушной и жидкостной составляющих аэрозоля на входе во
время эксперимента изменялась в небольших пределах и составляли: для жидкой
фазы (дистиллированная вода) – 7−130С и воздуха – 20−220С. Скорость фаз
аэрозоля в зависимости от режима изменялась: воздух − 0−25 м/с; вода – 1−20
м/с.
На рис. 6.2 показано семейство зависимостей коэффициента теплоотдачи
− H от удельной плотности потока капель − R при разных режимах открытия
клапанов источника аэрозоли: Тi = 0.002 с ÷ 0.01 с, Fi = 1 Hz − 10 Гц. Средний по
поверхности теплообменника коэффициент теплоотдачи определялся как
, где Q – тепловая энергия, подводимая к теплообменнику; f
– его площадь, а tw и tl – температуры теплообменной поверхности и жидкости в
потоке спрея. Средняя скорость воздуха – 8 м/c; соотношение среднемассовых
скоростей жидкой и газовой фаз – (0 ÷ 0.01). В зависимости от длительности
импульса опытные данные заметно расслаиваются. Для менее длительных
импульсов максимум коэффициента теплоотдачи достигается при значительно
меньших скоростях орошения. При этом величина самого максимума
практически слабо зависит от скорости орошения. Следовательно, использование
коротких импульсов подачи жидкости является более эффективным с точки
зрения интенсификации теплоотдачи.
2 мс
6
4
8
10мс
H, Вт/
м2К2
h, Вт /м К
1000
750
500
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
2
J, кг / м 2с
J, кг/м с
6.2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от частоты и
длительности спрея.
В главе седьмой описывается метод регистрации концентрации
влажности в потоке смеси жидкостей, основанный на свойстве взаимодействия
высокочастотного электромагнитного излучения со средой.
31
Диэлектрическая проницаемость смеси является величиной аддитивной
[Алешин Ю.К., (МГУ)]. Данное свойство смеси позволяет по результирующему
значению диэлектрической проницаемости раствора определить концентрацию
компоненты, значение диэлектрической проницаемости которой много больше
значений диэлектрических констант остальных компонент раствора: ε1 >> ε2 + …
+ εn.
На данном физическом принципе сконструирован измеритель водной
компоненты (влажности) водонефтяной смеси, в которой величина
диэлектрической
проницаемости
Материальная среда
раствора
пропорциональна
Излучатель
концентрации водной компоненты, так
как диэлектрическая проницаемость
воды в много больше диэлектрической
проницаемости нефти н ( в = 78 – 85, н
= 3 – 5) и других органических
компонент,
которые
могут
Генератор
присутствовать в сырой нефти.
Из
уравнений
Максвелла
(формула
6.1)
следует,
что
распространение
электромагнитного
поля
в
веществе
зависит
от
Рис.7.1. Излучатель в материальной
электрических и магнитных свойств
среде.
компонент среды. Учитывая, что
относительная магнитная постоянная
воды воды 1 и содержание магнетиков мало, можно принять, что плотность
высокочастотной энергии в смеси в основном определяется напряженностью
электрического поля и относительной диэлектрической постоянной смеси. В
этом случае потребляемая мощность от генератора (рис. 7.1) будет определяться
комплексным сопротивлением системы излучатель − среда, и равна: Р = Uген/Zизл,
где Uген − напряжение с.в.ч.
генератора,
Zизл−
комплексное
сопротивление излучателя и фидера
генератор
–
излучатель
–
Излучатель
материальная среда.
Выбор длины волны с.в.ч.
поля близкой к парамагнитному
резонансу молекул воды усиливает
поглощение с.в.ч.
энергии в
водонефтяной смеси, тем самым
увеличивая
эффект
определения
Рис.7.2. Фрагмент трубопровода
содержания влаги в растворе. В
водонефтяной
смеси с излучателем с.в.ч.
данном приборе был использован
электромагнитного
поля.
генератор с частотой сигнала 432
МГц.
32
Для проточного измерителя влажности водонефтяной смеси был
спроектирован излучатель электромагнитного поля. На рис.7.2 показана форма
излучателя и его расположение в трубопроводе. Выбор частоты определил
конструкцию СВЧ зонда в виде укороченного диполя. Поверхность излучателя
покрыта изоляцией из фторопласта, что устраняло влияние проводящих свойств
воды. Для коррекции краевых эффектов введены диэлектрические вставки.
Тарировка с.в.ч. влагомера выполнялась на специальном стенде. На рис.
7.3 показана зависимость показаний прибора от концентрации воды в
водонефтяной смеси, полученная в процессе калибровки. При подготовке
образцовых жидкостей использовались «сухая» нефть и пластовая вода.
Рис. 7.3. Показания прибора от концентрации пластовой воды в нефти.
Выбор оптимального соотношения активной и реактивной части в
комплексном сопротивлении системы (блок согласования – излучатель – среда)
позволил получить линейную зависимость сигнала измерителя от концентрации
влаги в водонефтяной смеси. Из этого следует, что калибровочная зависимость
для определения количества влаги в водонефтяной смеси может быть определена
по двум точкам: обезвоженная нефть и вода.
Прибор измерения влажности потока сырой нефти был изготовлен для
использования его в составе оборудования контроля качества нефти при выходе
водонефтяной смеси из скважины. Прошел полевые испытания, в которых было
показано, что все теоретические предположения и их техническая реализация
подтвердили свою правильность.
Прибор можно настроить на диапазон для измерения от 0 % до 100 %
влаги в смеси или на отдельные диапазоны (0 % до 50 % или от 50 % до 100 %
влаги в смеси). Эксперименты показали, что при использовании прибора с
диапазоном 0 % ÷ 100 %, погрешность измерения от полной шкалы составляет ±
33
5 %, а при использовании влагомера с настройкой на отдельный диапазон
погрешность равна ± 2.5 %.
На предложенный метод измерения расхода сырой нефти, в состав
которого входит прибор измерения влажности водонефтяной смеси, в 2009 году
был получен патент РФ на полезную модель.
Основные выводы
1. Разработана аппаратура многоканального емкостного измерителя, способная
измерять единицы фемтофарад (10-15Ф) с погрешностью 5% и периодом
дискретизации 1 мс. Данная аппаратура и предложенный метод
относительного измерения позволили применить емкостный метод при
исследовании тонкой пленки жидкости, текущей по плоскости и по
внутренней стенке канала при криогенной температуре (жидкий азот) и в
вакууме.
2. С помощью измерительного комплекса впервые получены систематические
экспериментальные данные о параметрах течения криогенной жидкости
(азота) по вертикальной пластине с интенсивным испарением в области
локального нагрева в диапазоне чисел Рейнольдса Re = 25 – 250. По данным
измерений впервые обнаружен эффект роста относительной амплитуды волн
на поверхности пленки в области локального нагрева при высоких плотностях
теплового потока. Проведено измерение локальной толщины пленки жидкого
азота, текущей внутри прямоугольного миниканала (2.6 7.1 мм2) (интервал
чисел Рейнольдса: от 200 до 2000).
3. Впервые получены данные о развитии амплитуды волн на вершине и впадине
регулярной структуры, возникающей в неизотермической пленке жидкости,
стекающей по вертикальной пластине с числом Рейнольдса пленки Re = 20 –
40. Показано, что на вершине ривулета относительная амплитуда волн
уменьшается, во впадине – растет.
4. В вертикальном цилиндрическом канале ( 100 мм) проведено
экспериментальное исследование образования плёнок жидкости из
пристенных газокапельных струй при вариации скорости спутного потока
газа 0, 16, 29, 39 м/с, (Re = 0÷2.6∙105). С помощью измерителя показано, что
толщина образующейся пленки жидкости существенно зависит от скорости
спутного потока и с увеличением скорости спутного потока за счет усиления
межфазного взаимодействия пленка утончается. В условиях данных
экспериментов наблюдается более ранний по сравнению с чисто
гравитационным стеканием переход к волновому режиму течения.
5. Впервые многоканальным измерителем локальной толщины пленки измерены
скорость распространения, скорость поверхностных волн и локальная
толщина пленки жидкости на выходе из сопла при спутном истечении с
высокоскоростным газовым потоком (со скоростью до 600 м/c, расход
жидкости от 1.9 до 6.3 г/с) в вакууме. По результатам измерений были
предложены схемы газодинамических защитных устройств, уменьшающих
34
6.
7.
8.
9.
1.
2.
загрязнение внешних поверхностей космических аппаратов от работы
двигателей ориентации.
Создан стенд для исследования процессов тепломассообмена при охлаждении
поверхностей импульсным газокапельным потоком. Эксперименты показали,
что использование коротких во времени импульсов для открытия жидкостных
форсунок при формировании газокапельного спрея со спутным потоком
воздуха максимум интегральной теплоотдачи достигается при значительно
меньших значениях скорости орошения. При этом сама величина максимума
при вариации длительности импульса остается практически неизменной.
Для смеси жидкостей разработан измеритель концентрации компоненты с
диэлектрической проницаемостью много больше остальных компонент с
зондом в виде в.ч. электромагнитного излучателя (432 МГц). На его основе
сконструирован измеритель влажности потока сырой нефти с измерительным
диапазоном 0% - 100% (точность 5%) и диапазонами 0% -50%, 50%-100% с
точность 2.5% , который является частью многофазного расходомера
«Метран-Н-50» - прибора, прошедшего полевые испытания, запатентован
(патент на полезную модель №85227) и подготовлен к производству.
Впервые емкостным методом проведены измерения концентрации
компонентов в каплях бинарных растворов воды с ацетоном и спиртами
(этанолом и метанолом), испаряющихся в потоке воздуха скорости 0 м/с – 20
м/с и температуры 0 0С – 100 0С. Измерения проведены с помощью
специально разработанного емкостного зонда-держателя, позволяющего
удерживать капли диаметром порядка 3 мм. Точность измерения
концентрации легколетучей компоненты составляла 5%.
Сконструирована
измерительная
секция,
являющаяся
частью
метрологического обеспечения стенда «Большая Фреонова Колонна» экспериментальной установки по изучению способов интенсификации
процессов тепломассообмена в крупномасштабной дистилляционной колонне
диаметром 0.9 м и высотой 6.8 м. Измерительная секция оснащена
координатным устройством, позволяющим перемещать по сечению колонны
измерительное оборудование по радиусу с точностью ±1 мм, по углу ±2 мм.
Для измерения параметров распределения по сечению гравитационных
капельных потоков, стекающих внутри колонны, разработан малонапорный
расходомер с оптической регистрацией метки. Диапазон измерения
локального расхода 0.1 – 6.5 см3/с с погрешностью измерения 5 % во всем
диапазоне.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах
Алексеенко С. В., Назаров А.Д., Павленко А. Н., Серов А. Ф., Чехович В. Ю.
Течение пленки криогенной жидкости по вертикальной поверхности.
Теплофизика и аэромеханика. – 1997. – Т. 4, № 3. – С. 307-317. (Из перечня
ВАК).
Кротов С.В., Назаров А.Д., Павленко А.Н, Печеркин Н.И., Серов А.Ф.,
Чехович В.Ю. – ПТЭ. – 1997. – № 1. – С. 149-152. (Из перечня ВАК).
35
Серов А.Ф., Павленко А.Н., Печеркин Н.И., Назаров А.Д., Кротов С.В.,
Жуков В.Е. Малонапорный измеритель для исследования распределения
потоков жидкой фазы в массообменных аппаратах. – ПТЭ. – 1998. – № 5. –
С. 145-149. (Из перечня ВАК).
4. Луцет М.О., Жуков С.В., Чехович В.Ю., Павленко А.Н., Назаров А.Д., Жуков
В.Е., Жукова Н. В. Метод исследования проблем нестационарного
теплообмена при кипении жидкости. – ПТЭ. – 2000. – № 3. – С. 143-148. (Из
перечня ВАК).
5. Павленко А.Н., Лель В.В., Серов А.Ф. Назаров А.Д. Динамика течения
интенсивно испаряющейся волновой пленки жидкости. – ПМТФ. – 2001. – Т.
42, № 3 (247). С. 107-115. (Из перечня ВАК).
6. Терехов В.И., Серов А.Ф., Шаров К.А., Назаров А.Д. Экспериментальное
исследование осаждения капель жидкости на стенки вертикального
цилиндрического канала из пристенных газокапельных струй. – ТВТ. – 2003.
– Т. 41, № 5. – С. 726-733. (Из перечня ВАК).
7. Чиннов Е.А., Назаров А.Д., Кабов О.А., Серов А.Ф. Измерение волновых
характеристик неизотермической пленки жидкости емкостным методом. –
Теплофизика и аэромеханика. – 2004. – Т.11, № 3. – С. 421-426. (Из перечня
ВАК).
8. Павленко А.Н., Печенкин Н.И., Чехович В.Ю., Жуков В.Е., Sunder S.,
Houghton P., Серов А.Ф., Назаров А.Д. Разделение смесей и распределение
жидкости на структурированной насадке в крупномасштабной модели
дистилляционной колонны. – Теоретические основы химической технологии.
– 2006. – Т. 40, № 4. – С. 355-365. (Из перечня ВАК).
9. Чиннов Е.А., Назаров А.Д., Сапрыкина А.В., Серов А.Ф. Влияние
термокапиллярных эффектов на волновые характеристики нагреваемой
пленки жидкости. – Теплофизика и аэромеханика. – 2007. – Т. 14, № 1. – С.
71-79. (Из перечня ВАК).
10. Чиннов Е.А., Назаров А.Д., Сапрыкина А.В., Жуковская О.В., Серов А.Ф.
Волновые характеристики неизотермической пленки жидкости при
формировании струй на ее поверхности. – ТВТ. – 2007. - Т. 45, № 5. – C. 725732. (Из перечня ВАК).
11. Чиннов Е.А., Харламов С.М., Назаров А.Д., Соколов Е.Э., Серов А.Ф.,
Маркович Д.М., Кабов О.А. Комплексное измерение волновых характеристик
нагреваемой пленки жидкости емкостным и флуоресцентным методами ТВТ.
– 2008. − Т. 46, № 5. − С. 821 − 828. (Из перечня ВАК).
12. Чиннов Е.А., Назаров А.Д., Серов А.Ф. Волновые характеристики
нагреваемой пленки при воздействии внешних возмущений. – Теплофизика и
аэромеханика. – 2008. – Т. 15, № 4. С. 71-79. (Из перечня ВАК).
13. Назаров А.Д., Серов А.Ф., Терехов В.И., Шаров К.А. Экспериментальное
исследование испарительного охлаждения импульсным спреем. − Инженернофизический журнал – 2009. – Т. 82, № 6. – с.1160-1166. (Из перечня ВАК).
3.
36
14. Назаров А.Д. Влагомер для технологических задач нефтепромысла. –
Автоматизация, Телемеханизация и связь в нефтяной промышленности.
Научно-технический журнал. – 2009. № 5. С. 2-4. (Из перечня ВАК).
15. Назаров А.Д., Серов А.Ф., Бодров М.В. Интенсификация охлаждения
импульсным газокапельным потоком. Аппаратура, параметры, результаты. –
ЖТФ. – 2010. – Т. 80, № 5. – С.132-135. (Из перечня ВАК).
16. Назаров А.Д. Контроль однородности газокапельного потока. – ПТЭ. – 2010. –
№ 3. – С.144-146. (Из перечня ВАК). Назаров А.Д., Терехов В.И., Шишкин
Н.Е. Емкостный метод измерения концентрации компонентов в каплях
бинарных растворов. - ЖТФ. – 2011. – Т. 81, вып.4. – С. 45-49. (Из перечня
ВАК).
17. Серов А.Ф., Мамонов В.Н., Назаров А.Д., Кротов, С.В. Измеритель расхода
нефти. – Патент не полезную модель №85227. Заявка №2009106182.
Приоритет полезной модели 24 февраля 2009г. Зарегистрировано в
Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 27 июля
2009 г.
18. Pavlenko A.N., Pecherkin N.I., Chekhovich V.Yu., Zhukov V.E., Sander S.,
Houghton P., Nazarov A.D., Serov A.F. The two-phase cocurrent downflow of
liquid nitrogen in a vertical rectangular channel. – Journal of Engineering
Thermophysics – 2002. – Vol. 11, No. 4. – P. 321-333.
19. Terkhov V.I., Serov A.F., Nazarov A.D., Sharov K.A. The growth of wave
amplitude and heat transfer in falling intensively evaporating liquid films. - J. Eng.
Thermophys. – 2002. – Vol. 11, No. 1. – P. 7-43.
20. Pavlenko A.N., Pecherkin N.I., Chekovich V.Yu., Zhukov V.E., Sunder S.,
Houghton P., Nazarov A.D., Serov A.S. Large industrial-scale model of structured
packing distilatoin column. – J. Eng. Thermophys. – 2005. – Vol. 13, No.1. – P. 118. Терехов В.И. Назаров А.Д. Шишкин Н.Е. Испарение капель бинарных
смесей в потоке воздуха. - Процессы самоорганизации в высыхающих каплях
многокомпонентных жидкостей: эксперименты, теории приложения.
Материалы 1-й международной конференции. – Астрахань. – 3-6 мая 2010 г.
21. Лель В. В., Мацех А.М., Назаров А.Д. Динамика течений интенсивно
испаряющейся волновой пленки жидкости. - 6-я Всероссийская конференция
молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики». – Новосибирск. – 2000. - с. 144-145.
22. Белоусов А. И., Шаров К. А.Назаров А.Д. Экспериментальное исследование
характеристик пленки жидкости при течении в спутном потоке газа. - 6-я
Всероссийская конференция молодых ученых «Актуальные вопросы
теплофизики и физической гидро-газодинамики». – Новосибирск – 2000. – с.
62-63.
23. Pavlenko А. N., Lel V. V., Serov A. F., Nazarov A.D. Flow dynamics and
intensification of the heat transfer precritical regimes of intensively evaporating
wavy liquid film. Proceedings of the 3-d Intern. Conference on Compact Heat
Exchangers and Enhancement Technology For the Process Industries, July 1-6,
2001, Davos, Switzerland, 8 p.
37
24. Павленко А.Н., Печенкин Н.И., Чехович В.Ю., Жуков В.Е., Назаров А.Д.,
Серов А.Ф., Sunder S., Houghton P. Двухфазное опускное течение жидкого
азота в вертикальном прямоугольном канале. - Международный РоссийскоАмериканский научный журнал «Актуальные проблемы авиационных и
аэрокосмических систем: процессы, модели, эксперимент». – 2004. – Вып. 18,
Т. 9, № 2. – С. 56-68.
25. Prikhodko V.G., Serov A.F., Nazarov A.D., Yarygin I.V., Levchenko V.F.
Reseacrch of the local characteristics of a near- wall liquid film in supersonic
conicol nozzle with a co-crrent gas flow. - Proc. of 12-th Int.conf. on the Method
of aerophysical Research, Russia, Novosibirsk 28 – 3 jily. - Novosibirsk:
@Nonparel@ Publ. House.-2004. – Pat 1. – P. 189 – 193.
26. Levchenko V.E., Nazarov A.D., Prikhodko V.G., Serov A.F., Yarygin I.V. and
Yarygin V.N. Measurement of near-wall liquid film thickness and velocity at its
interaction with high-velocity gas flow. - ICMAR 2008. International Conference
on the Methods of Aerophysical Research. – June 30 – Jule 6, 2008. – Novosibirsk,
Russia. – Part 1, P. 82-83.
27. Nazarov Alexandr D., Serov Anatoly F., Terekhov Viktor I. and Sharov Konstantin
A. The effect of a pulse spray on heat transfer intensity. - Fourth International
Topical Team Workshop on TWO-PHASE SYSTEMS FOR GROUND AND
SPACE APPLICATIONS. – Novosibirsk. Russia – 6-8 September 2009. – p. 69
28. Nazarov Alexandr D., Chinnov Evgeny A., Serov Anatoly F., and Kabov Oleg A.
Measurement of Characteristics of Heated Liquid Film by Capacity Method. Fourth International Topical Team Workshop on TWO-PHASE SYSTEMS FOR
GROUND AND SPACE APPLICATIONS. – Novosibirsk. Russia. – 6-8
September 2009. – p. 96.
29. Терехов В.И., Назаров А.Д., Шишкин Н.Е. Экспериментальное исследование
концентрации при испарении капель бинарных жидкостей в воздушном
потоке. Сборник научных статей СОВРЕМЕННАЯ НАУКА: исследования,
идеи, результаты, технологии. №1, специальный выпуск по материалам 7-й
научной конференции. СОВРЕМЕННАЯ НАУКА: исследования, идеи,
результаты, технологии. – Алушта. Украина. – 21-25 сентября 2009. – с. 63-64.
30. Nazarov A.D., Serov A. F., Terekhov V.I.., Sharov K.A. The effect of co-current
gas velocity on heat transfer of the pulse spray. - Proceedings of 23rd European
Conference on Liquid Atomization and Spray Systems 6 th – 8th September, 2010,
Brno, Czech Republic, P. 107-108.
31. Nazarov A.D., Serov A.F., Bodrov M.V., Simakov V.A. Optic and electric
methods and test procedures for the pulse spray parameters Proceedings of 23rd
European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems 6 th – 8th
September, 2010, Brno, Czech Republic, P. 189-190.
32. Nazarov A.D., Terekhov V.I., Shishkin Y.E. The capacitance method for
measurement of components concentrations in evaporating droplets of binary
solutions. – Methods aerophysical research 15th international conference (ICMAR).
– 1- 6 November, 2010. – P.192-193.
38
33. Nazarov A., Terekhov V., Shishkin N., Serov A. Component concentration in a
droplet of binary mixture evaporating in the air flow. Measurement method and
results. - ILASS – Europe 2011, 24th European Conference on Liquid Atomization
and Spray Systems, Estoril, Portugal, 5-7 September 2011. – С.121.
34. Terekhov V.I., Nazarov A.D., Shishkin N.E. Concentration Сomponents and Mass
Transfer Measurements at Evaporation of the Binary Mixture Drops in the Air
Flow. - The 7th International Symposium on Measurement Techniques for
Multiphase Flows. – September 17-19, 2011 in Tianjin, China. - 6 p.
35. Nazarov Alexandr, Serov Anatoly and Terekhov Victor. – Features of heat transfer
in the pulse spray. - Sixth International Conference on TWO-PHASE SYSTEMS
FOR GROUND AND SPACE APPLICATIONS. – Book of abstracts. - CAVA DE’
TIRRENI (NAPOLI), ITALY September 25-28. – 2011. – P.82.
36. Terekhov V., Nazarov A., Serov A. Heat transfer between multinozzle pulse spray
and vertical surface. – Spring World Congress on Engineering and Technology
(SCET2012). – May 27-30, 2012. – Xi’an, China.
37. Nazarov A.D., Pakhomov M.A., Serov A.F., Terekhov V.I. Experimental and
Numerical Study of Flow and Heat Transfer due to Intermittent Impinging Mist
Jets. - 12th International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems. –
September 2-6, 2012. – Heidelberg, Germany. – P. 221.
38. Терехов В.И., Назаров А.Д., Серов А.Ф. Влияние параметров спутного потока
воздуха на теплообмен импульсного спрея. - 14-й минский международный
форум по тепло- и массообмену. – 10-13 сентября 2012 г. - Тезисы докладов и
сообщений. – С.297-299.
39
Подписано к печати 10 июня 2013 г. Заказ № 22
Формат 60 84/16. Объем 2 уч.-изд. л. Тираж 120 экз.
___________________________________________________
Отпечатано в Институте теплофизики СО РАН
630090, Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 1.
40
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
97
Размер файла
1 014 Кб
Теги
методов, теплофизические, разработка, потоков, двухфазная, средств, исследование, электронные
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа