авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

«УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР На правах рукописи ...»

-- [ Страница 2 ] --

Свойства модулированного сигнала определяют возможные способы влияния на его интенсивность, так для уменьшения интенсивности фазового шума при низкочастотной фильтрации необходимо увеличивать измерительный объем или диаметр объектива, что приведет к увеличении доли когерентной составляющей многочастичного сигнала. Для уменьшения интенсивности амплитудного шума необходимо измерительный объем или диаметр объектива наоборот уменьшать.

При измерениях в потоках с высокой концентрацией частиц методами лазерной анемометрии для сохранения одночастичного сигнала необходимо уменьшать размеры измерительного объема [11, 32, 54, 56, 58, 59]. Необходимый для проведения измерений минимальный размер измерительного объема определяется как Vmax N f df =, f D max где Vmax – максимальная скорость потока;

N f – необходимое число интерференционных полос;

f D max – максимальная частота процессора.

Для Vmax = 100 м/с;

N f = 8 ;

f D max = 100 МГц;

d f = 8 мкм.

Для частиц, чей диаметр относится к диаметру лазерного пучка в месте перетяжки, как d p ( 0,2 0,3 )d f разные механизмы рассеяния и гауссовским распределением интенсивности лазерного пучка приводят к существованию «эффекта измерительного объема», известного в зарубежной литературе как «volume measurement effect» (VME) или «trajectory ambiguity» [32, 54, 56, 58–63]. VME-эффект включает в себя два эффекта: «Gaussian beam defect» и «slit effect».

«Gaussian beam defect» проявляется в том, что для фиксированного положения ФЭУ, амплитуда и фаза каждой составляющей рассеяния зависит от положения частицы в измерительном объеме. Согласно рассмотренным выше свойствам доплеровского сигнала как многочастичного и как показано в [19] каждый тип рассеяния формирует в пространстве интерференционную картину с соответствующей пространственной частотой интерференционных максимумов интенсивности. При этом для двух разнесенных в пространстве точек можно наблюдать разность амплитуд и фаз как внутри каждой интерференционной картины, так и между ними. Во время перемещения частицы через измерительный объем относительные вклады каждой составляющей рассеянного излучения в общий сигнал могут меняться во времени. Это явление показано схематично на Рис. 2.9 [62]. Из Рис. 2. видно, что в зависимости от положения частицы («А» и «В») в измерительном объеме, как отраженная ( P0 ), так и преломленная ( P1 ) составляющая теоретически могут иметь разную по отношению друг к другу интенсивность излучения. Так в положении «А» P0 P1, в положении «В» P1 P0.

Рис. 2.9. Схема образования «эффекта измерительного объема»

Это происходит из-за того, что когда частица проходит измерительный объем, то падающее на нее лазерное излучение с гауссовским профилем интенсивности в большинстве случаев различно и меняется в зависимости от положения частицы. Таким образом, при нахождении крупной частицы в измерительном объеме формируется сложная картина светорассеяния. Таким образом в результате VME-эффекта наличие фазового шума и малое значение видности сигнала может приводить к уменьшению отношения сигнал/шум. При изменении интенсивности падающего излучения на 5 10% в пределах диаметра частицы, максимальный допустимый размер частиц, при котором можно пренебречь данным эффектом составляет d p ( 0,2 0,3 )d f [61].

При построении оптической схемы измерений также необходимо учитывать, что рассеянное излучение больших частиц имеет дифракционную составляющую, которая может оказывать влияние на формирование сигналов [18, 64, 65]. В [65] было показано, что в направлении распространения пучка (при малых углах наблюдения) дифракционная компонента рассеянного пузырьком поля преобладала над преломленной и отраженной компонентами. На методической погрешности эксперимента различие в распределении плотности мощности дифрагированного пучка может сказаться при расположении частицы на оси и на краю пучка [66]. Дифрагированная волна не зависит от показателя преломления частиц и поляризации падающей волны.

Дифрагированное излучение больших сферических частиц ( 1) сосредоточено в конусе с углом = 3,83 /, который для большинства частиц не превышает 1 град.

Очевидно, что указанные выше эффекты, затрудняющие интерпретацию доплеровского сигнала, оказывают влияние на точность измерения скоростей частиц.

Многочисленными исследователями теоретически и экспериментально изучался VME-эффект для нахождения способов его возможного устранения и уменьшения ошибки метода определения размера частиц, основанного на регистрации разности фаз от наблюдаемого под разными углами рассеянного излучения [11, 32, 33, 54–56, 58–61, 67–69]. Результаты данных исследований могут помочь при оптимизации параметров измерительной системы. Это особенно актуально в случае сильноконцентрированных потоков с крупными частицами и малой видности сигнала. Так в исследовании [61] изучено распределение интенсивности рассеянного крупной частицей излучения при падении на нее лазерного пучка с гауссовским распределением интенсивности. Установлено что как амплитуда интенсивности, так и фаза суммарного рассеянного излучения зависит от места падения пучка на частицу. При рассмотрении дифракционной вместе с отраженной и преломленной до 4-го порядка составляющими рассеяния найдена относительная величины каждой компоненты рассеяния в зависимости от положения частицы. Показано, что существуют углы наблюдения со значительным преобладанием интенсивности одной из составляющих рассеяния. В результате численного моделирования в [32, 59, 62, 63] установлено, что в общем случае при регистрации каждой компоненты (отраженной и преломленной) сигнала двумя разнесенными в пространстве приемными устройствами значения сдвига фаз для каждого сигнала различны. Это объясняется разной пространственной частотой интерференционной картины для каждой составляющей рассеяния. Различие фаз между составляющими рассеянного излучения в зависимости от угла приема может принимать значение 0 2 и, соответственно может, как увеличивать, так и уменьшать видность суммарного сигнала. Нахождению угла приема, при котором сдвиг фаз разных компонент рассеяния принимает одинаковое значение посвящено исследование [59], которое было продолжено для частиц разного диаметра в [62, 63] и для частиц с разным показателем степени преломления в [60]. Было найдено, что для стеклянных частиц (показатель преломления n = 1,52 ) в воздухе этот угол приема равен 54°.

В [32] для частицы с d p = 3d f было найдено, что с увеличением диаметра частиц видность сигнала преломленной компоненты уменьшается, в то время как видность отраженного сигнала может оставаться высокой из-за маленькой отражающей поверхности частицы в направлении ФЭУ при том, что при регистрации сигнала в режиме прямого рассеяния видность сигнала отраженной составляющей выше преломленной и именно она дает основной вклад в модулированную составляющую общего сигнала, хотя преломленная составляющая сигнала и имеет выше интенсивность [32]. Эти данные косвенно согласуются с результатами исследований в [59, 62, 63], где показано что пространственный сдвиг фаз в направлении наблюдения при углах от 0° до (40 50)° больше для преломленной составляющей. В работе [32] отмечается, что видность сигнала преломленной компоненты можно увеличить уменьшением угла пересечения пучков, что увеличивает период интерференционной решетки либо увеличением диаметра входной апертуры объектива приемного устройства. Было установлено, что для фиксированного угла приема наибольшая разность фаз преломленной и отраженной компоненты сигнала наблюдается при прохождении частицы дальней от ФЭУ границы измерительного объема и можно ожидать, что именно из этой области доля отраженной составляющей в сигнале будет максимальна. Влияние предустановленной перед ФЭУ щелевой диафрагмы на VME-эффект рассмотрен в [69]. Рекомендации по уменьшению VME-эффекта также даны в [54]. Результаты упомянутых выше исследований могут быть использованы при оптимизации параметров измерительной системы ЛДА. Это особенно актуально в случае сильноконцентрированных потоков с крупными частицами, а также при малой видности сигнала.

2.2.4. Контроль точности результатов Контроль правильности выбора параметров измерительной системы и оценка погрешности получаемых результатов при исследованиях скоростей крупных твердых частиц могут быть проделаны путем измерения одной из важнейших характеристик инерционности частиц, а именно, скорости витания (взвешивающей скорости). Подробное описание данной методики приводится в [4].

2.2.5. Измерение концентрации частиц В диссертационном исследовании среднее по сечению потока значение концентрации дисперсной фазы контролировалось по известному среднемассовому расходу дисперсной фазы через питатель и по измеряемой скорости несущего воздуха в случае необходимости.

Измерение локальной концентрации дисперсной фазы проводилось по анодному току фотоумножителя. Этот метод подробно описан в [4].

Погрешность получения относительной концентрации частиц по величине анодного тока ФЭУ – 25%.

2.2.6. Оптимизация параметров ЛДА Так как измерения скоростей с использованием ЛДА основано на регистрации сигнала, возникающего при пересечении светорассеивающими частицами изменяющегося во времени интерференционного поля, то при проектировании и оптимизации параметров оптико-электронной системы ЛДА необходимо учитывать характеристики рассеянного частицами излучения и негативные факторы, влияющие на качество сигнала, рассмотренные выше.

Некоторые вопросы оптимизации оптической схемы и параметров ЛДА, а также метод контроля точности результатов при измерениях с крупными частицами рассмотрены в [4, 23].

При измерениях с крупными твердыми частицами для получения наиболее оптимального качества доплеровского сигнала производилась настройка измерительной системы:

1) Принимающей аппаратуры: режим и угол приема ФЭУ, а также напряжения на нем, режимы обработки сигнала процессора.

2) Параметры передающей оптики: мощность лазера, размеры измерительного объема.

Каждое изменение условий работы измерительной системы с измерения скоростей частиц-трассеров на измерения скоростей твердых частиц требовало перестройки режима измерительной системы, и обязательно увеличения периода интерференционной решетки измерительного объема, что позволяло улучшить качества сигнала.

Существует величина периода решетки, дальнейшее увеличение которой практически не изменяет достоверности сигнала. Для частиц, используемых в данной работе, это значение периода интерференционной решетки лежит в диапазоне f = 12 16 мкм [4].

Необходимо иметь в виду, что увеличение периода решетки приводит к увеличению измерительного объема (в направлении, совпадающем с оптической осью источника излучения), что снижает локальность измерений.

2.3. Анализ возможности и ограничений ЛДА–измерений скоростей частиц в сильнозапыленных потоках Когда известны параметры исследуемого потока (концентрация, материал примеси, размер частиц, размер области измерений) представляет интерес оценка возможности применения доступного средства измерения, в данном случае серийного ЛДА.

Возможность использования ЛДА определяется параметрами доплеровского сигнала, которые в общем случае зависят от характеристик используемого лазера, параметров приемной и передающей оптики, скорости и размеров частиц, их оптических свойств и концентрации в потоке, а также от толщины потока. Влияние характеристик лазера, параметров приемной и передающей оптики, свойств частиц на параметры доплеровского сигнала рассмотрено в [1].

Целью настоящего раздела является рассмотрение возможностей серийного ЛДА фирмы Dantec и анализ возможности и ограничений применения ЛДА для измерения скоростей твердых частиц высококонцентрированного гетерогенного потока [70].

2.3.1. Предварительные результаты Изначально ЛДА – метод разрабатывался как средство исследования однофазных оптически прозрачных потоков. Применение лазерных доплеровских анемометров для исследования двухфазных и многофазных потоков ограничивается не размерами дисперсной фазы, а условиями оптической прозрачности среды, которое выполняется для Ф 0,03 0,05 [72, 81]. Многочисленными исследованиями установлено, что серийный ЛДА не способен работать в условиях непрозрачных (оптически высоко-плотных) потоков, например в струях топливных форсунок в областях близких к срезу сопла [10, 11, 67, 71]. Для проведения измерений в подобных условиях экспериментаторы вынуждены использовать комбинации существующих, а также адаптированные системы лазерной анемометрии [10, 11, 30, 34, 54, 58, 67, 71] либо другие методы измерений. Например, в работе [71] исследователи вынуждены были использовать двухфокусную оптическую систему с двумя измерительными объемами. В работе [67] для лучшей интерпретации экспериментальных данных при исследовании струй топливных форсунок, с высоким значением частоты поступления данных при низкой достоверности сигнала – из-за нахождения нескольких частиц в измерительном объеме применялся дополнительно анализ интенсивности рассеянного излучения и изменения интенсивности излучения лазерного пучка прошедшего через рассеивающую среду. Обзор по развитию схем оптико-волоконных оптических зондов разрабатываемых для измерений в потоках с большой концентрацией дисперсной фазы и нашедших успешное применение в аппаратах с циркулирующим кипящим слоем можно найти в [81]. В аппаратах с циркулирующим кипящим слоем помимо оптических зондов также используют различные варианты томографии, изокинетические, электроемкостные и акустические датчики и др.

методы [89].

Серийные лазерные анемометры использовались для исследования многофазных течений с объемной концентрацией дисперсной фазы не более Ф 0,014 [31] и Ф 0,015 [29]. ЛДА-измерения скоростей твердых частиц в потоках газа как отмечается в [25] в большинстве опубликованных исследований проводилось для значений объемной концентрации менее Ф 0,01, а для пузырьков газа в жидкости (в барботажных колоннах) как отмечается [88] при Ф 0,10.

Работы, где удалось исследовать более концентрированные потоки, немногочисленны. По-видимому, имеется лишь несколько работ, в которых авторам удалось провести измерения характеристик более концентрированных гетерогенных потоков. Например, в ЛДА исследованиях запыленной струи в [73, 74] почти по всему сечению потока удалось получить распределения скоростей частиц стекла и полидисперсных частиц песка со средним диаметром 163 мкм и 151 мкм соответственно, при начальной средней концентрации частиц в струе Ф = 0,023. В работе [75] использование ЛДА с оптоволоконным зондом дало возможность получить распределения скоростей частиц песка и полистирола с размерами 200, 500 и 800 мкм при концентрации Ф = 0,07. В работе [25] применение специального зонда уменьшало расстояние от места ввода лазерных пучков в исследуемую среду до точки измерений. Это позволило провести измерения скоростей твердых частиц диаметром 54 мкм при Ф = 0,21. В работе [76] была успешно изучена возможность использования ЛДА с оптоволоконным зондом в режиме обратного рассеяний для измерений скорости жидкой фазы в потоке жидкости с пузырьками и в [28] была измерена измерений скорость жидкой фазы при концентрации содержащихся в ней пузырьков Ф = 0,25. В работе [77] использование ЛДА с волоконным световодом, дало возможность измерить скорости межфазных границ газожидкостного потока при локальном газосодержании Ф = 0,2 0,8. В исследовании [31] подбор компонентов суспензии с учетом их оптических свойств обеспечил проведение измерений скоростей частиц полиметилметакрилата диаметром 85 мкм при концентрации Ф = 0,5.

Необходимо отметить, что режимы исследуемого течения и конструкция вводимого в поток зонда ограничивает минимальные размеры фокусного расстояния (расстояние от зонда до измерительного объема) допустимым (например) тепловым режимом зонда и размерами области возмущенного им потока. В ряде работ при измерениях в промышленных топках, где конструкция вводимого в поток зонда включала в себя водяную систему охлаждения, фокусное расстояние выбиралось в диапазоне 8 30 см [22]. Так с помощью зонда имеющего водяное охлаждение в работе [22] проводились ЛДА-измерения скоростей частиц угля в топке котла мощностью 600МВт. Фокусное расстояние используемого оптического зонда для соблюдения его теплового режима ( 50 0С) было увеличено до 300 мм. В этих условиях исследователям удалось провести измерения при Ф O( 0,001 ).

2.3.2. Экспериментальная установка и результаты измерений Экспериментальная установка. Для изучения возможностей имеющегося ЛДА была проведена попытка измерений скоростей твердых частиц по сечению запыленной струи с контролированием характеристик доплеровского сигнала в широком диапазоне концентрации и размеров используемых частиц. Схема измерений показана на Рис. 2.10.

Рис. 2.10. Схема измерений:

1 – лазер;

2 – блок передающей оптики ЛДА;

3 – зеркало;

4 – питатель;

5 – ФЭУ В качестве дисперсной фазы использовались сферические частицы стекла плотностью p = 2550 кг/м3 с номинальными диаметрами d p = 50, 100 и 200 мкм. Все измерения проводились в одном сечении на расстоянии 30 мм от питателя.

Частицы загружались в питатель емкостью 2 л и сыпались вниз через отверстие в крышке питателя под действием собственной тяжести.

Далее частицы разгонялись в неподвижном воздухе, формируя запыленную струю.

Измерения проводились с помощью двухканального трехлучевого лазерного доплеровского анемометра модели LDA 10 производства фирмы «Dantec» (Дания), работающего по дифференциальной схеме.

Для измерения осевой скорости частиц использовался только один канал указанного ЛДА. Источником излучения в системе служил аргоновый лазер ЛГ-106М-1 отечественного производства мощностью до 1 Вт (влияние мощности излучения в рамках данной работы не исследовалось). Рассеянный попадающими в измерительный объем частицами свет собирался приемной оптикой фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), сигнал с которого попадал на процессор доплеровского сигнала счетного типа (модель 55L90a LDA Counter Processor). Положение ФЭУ соответствовало режиму прямого рассеяния, его оптическая ось располагалась под углом (см. Рис. 2.10) к плоскости зондирующих пучков. Основные параметры оптической системы ЛДА приведены в Таблице 2.1.

Таблица 2.1. Основные параметры оптической системы ЛДА 1 Длина волны излучения лазера, мкм 0, 2 Диаметр лазерного луча (по уровню е-2) dL, мм 1, 3 Коэффициент расширения луча E 1, 4 Фокусное расстояние фронтальной линзы f, мм 5 Угол принимающей оптики, град. 6 Угол, град. 7 Угол пересечения лучей, град. 6, 0,0910, 8 Размеры измерительного объема (по уровню е-2) dxdydz, мм 1, 9 Период интерференционной решетки f, мкм 4, 10 Кол-во периодов в измерительном объеме Nf Процессор модели 55L90a фирмы «Dantec» работает в диапазоне частот 2 кГц–100 МГц и обладает временным разрешением, равным нс. При использовании в экспериментах данного процессора показателями качества доплеровского сигнала являются две характеристики: частота (интенсивность) поступления достоверных D pV данных («Data rate», блок 55L91) в кГц, достоверность поступающих сигналов V («Validated», блок 55L91) в %.

Общая (полная) частота поступления данных от частиц дисперсной фазы может быть определена как D pV Dp =.

V Частота (интенсивность) поступления данных является экстенсивной величиной, так как напрямую зависит от концентрации светорассеивающих частиц в измерительном объеме, интенсивности падающего на них излучения и чувствительности принимающей системы ЛДА.

Достоверность сигналов (при работе в режиме « 5 / 8 «) определяет количество частиц (в процентном отношении), различие между скоростями которых, вычисленными по времени пролета ими пяти и восьми периодов интерференционной решетки, не превышает заранее заданной погрешности. При проведении данной работы эта погрешность равнялась 3%. Достоверность сигнала является основной характеристикой его качества и напрямую связана с погрешностью проводимых измерений.

Методика измерений. Для анализа влияния параметров исследуемого потока на основные характеристики доплеровского сигнала при проведении измерений варьировались диаметр «запыленной струи» d и диаметр твердых частиц d p. При этом с помощью органов управления и контроля параметров сигнала на процессоре 55L90a (Рис. 2.2б) одновременно контролировались: частота поступления «достоверных»

данных D pV, их достоверность V, а также величина анодного тока ФЭУ I. Все измерения проводились в одной точке – на оси струи на расстоянии 20 мм от среза крышки питателя. Диаметр запыленной струи варьировался посредством установки крышек питателя с отверстиями разных диаметров d 0. Перед выполнением основных экспериментов была проведена предварительная тарировка крышек питателя.

Тарировочные зависимости среднемассового расхода частиц стекла G Mp и диаметра запыленной струи d в месте измерений от диаметра отверстия d 0 используемой крышки представлены на Рис. 2.11 и Рис.

2.12 соответственно.

G Mp, г/с 0 2 4 6 8 d 0, мм Рис. 2.11. Зависимость среднемассового расхода частиц стекла GMp от диаметра отверстия d0 крышки питателя (dp = 200 мкм) Средняя (по сечению струи) объемная концентрация частиц находилась по формуле:

4 G Mp Ф=, (2.3.1) p d 2 V xp где Vxp – осевая составляющая скорости частиц, определяемая непосредственно в ходе экспериментов (Рис. 2.13).

d, мм 0 2 4 6 8 d 0, мм Рис. 2.12. Зависимость диаметра струи d в месте измерения от диаметра отверстия d0 крышки питателя (dp = 200 мкм) V xp, м/c 1, 0, 0 2 4 d 0, мм Рис. 2.13. Зависимость средней скорости частиц V xp от диаметра отверстия d0 крышки питателя (dp = 200 мкм) Распределение объемной концентрации в зависимости от диаметра отверстия крышки питателя, полученное с использованием соотношения (2.3.1), приведено на Рис. 2.14.

Ф 0, 0, 0 2 4 d 0, мм Рис. 2.14. Зависимость объемной концентрации частиц Ф от диаметра отверстия d0 крышки питателя (dp = 200 мкм) Результаты и обсуждение. Полученные распределения основных характеристик сигнала (в точке измерения) в зависимости от диаметра струи при использовании частиц диаметром 200 мкм приведены на Рис.

2.15, 2.16.

На Рис. 2.15а представлены зависимости частоты поступления данных от диаметра запыленной струи для двух значений напряжения U, подаваемого на ФЭУ. Из приведенных данных (кривая 1) видно, что сначала увеличение диаметра струи приводит к росту частоты поступления сигналов. Это объясняется увеличением числа частиц в измерительном объеме. Действительно, максимальное значение частоты поступления данных наблюдалось при d 1,5 мм, что соответствует размеру измерительного объема d Z = 1,598 мм (см. Таблицу 2.1). При дальнейшем увеличении диаметра струи частота поступления данных начинает уменьшаться.

D pV, кГц 0 2 4 а) d, мм I, мкA 0 2 4 б) d, мм Рис. 2.15. Зависимость:

а – частоты поступления достоверных данных;

б – тока ФЭУ от диаметра запыленной струи (dp = 200 мкм);

1 – U = 0,5 кВ;

2 – U = 1,0 кВ По-видимому, при соизмеримых размерах исследуемого течения и измерительного объема, это связано прежде всего с эффектом деформации измерительного объема ЛДА вследствие перекрывания частицами формирующих его лазерных пучков. Отмеченное явление ограничивает возможность применения ЛДА при высоких концентрациях дисперсной фазы.

V,% 0 2 4 d, мм Рис. 2.16. Зависимость достоверности сигнала от диаметра запыленной струи (dp = 200 мкм):

1 – U = 0,5 кВ;

2 – U = 1,0 кВ На Рис. 2.15б приведены распределения анодного тока ФЭУ в зависимости от диаметра запыленной струи. Как и частота поступления данных, анодный ток ФЭУ является экстенсивной величиной и напрямую зависит как от параметров потока (толщины, размера и концентрации частиц), так и от чувствительности оптико-электронной системы ЛДА. При сравнении можно видеть, что экспериментальные распределения частоты поступления данных и анодного тока ФЭУ (кривые 1 на Рис. 2.15а и Рис. 2.15б) ведут себя подобным образом, что свидетельствует об одной и той же природе изменения анализируемых величин. Таким образом, в случае сильноконцентрированных потоков, блокирование частицами лазерных пучков (несмотря на рост концентрации частиц в измерительном объеме), становится главной причиной снижения частоты поступления данных и анодного тока ФЭУ.

Математическая модель. Эффект подавления сигнала можно объяснить с помощью вероятностной модели. Рассмотрим случай, когда исследуемый поток имеет фиксированную толщину и внутри зондирующих лучей, а, следовательно, и внутри формируемого ими измерительного объема изменяется только концентрация частиц.

Допустим, что среднее число частиц, одновременно находящихся в измерительном объеме Np и среднее число частиц одновременно Nl находящихся внутри луча пропорционально объемной концентрации Ф. Предположим, что появление частиц в луче и в измерительном объеме подчиняется пуассоновскому процессу. Тогда если в некотором объеме в среднем содержится N частиц, то вероятность обнаружения в этом объеме N частиц можно найти с помощью (2.2.14):

N N exp( N ), P= N!

отсюда:

1) вероятность нахождения в измерительном объеме любого целого числа частиц отличного от нуля ( ) Pp = 1 exp N p ;

(2.3.2) 2) вероятность отсутствия частиц внутри луча, формирующего измерительный объем Pl = exp( N l ). (2.3.3) Предположим, что частота поступления данных пропорциональна вероятности существования одновременно этих двух событий и описывается следующей функцией:

PD = Pp Pl. (2.3.4).

Качественные зависимости, вычисленные из выражений (2.3.2, 2.3.3 и 2.3.4) представлены на Рис. 2.17.

PD 0, 0, 0,4 0, 0 0,1 Ф 0, Рис. 2.17. Распределение вероятностей в зависимости от объемной концентрации по формуле:

1 – (2.3.2);

2– (2.3.3);

3 – (2.3.4) Из рисунка видно, что с ростом концентрации происходит увеличение, а затем с некоторого значения уменьшение вероятности анализируемого события, что подтверждает предположение об основном влиянии явления перекрытия луча на изменение частоты данных. Этот эффект виден на Рис. 2.20. Поэтому, достигая максимального значения, далее, частота данных начинает снижаться, как было показано выше, из за того, что вероятность перекрытия частицами лазерных пучков от места их ввода в поток до измерительного объема с ростом концентрации становится определяющим фактором, несмотря на рост концентрации частиц в измерительном объеме.

Зависимости достоверности сигналов от диаметра струи для двух различных чувствительностей ЛДА показаны на Рис. 2.16. Из приведенных данных видно, что при напряжении, равном U = 0,5 кВ, значение достоверности V 50 % (для d 2 мм).

С ростом диаметра струи достоверность сигналов начинает снижаться. В работе [78] показано, что уменьшение достоверности приводит к росту погрешности проводимых измерений. Погрешность измерения осредненных скоростей частиц находится в пределах 5%, V 15 %. Снижение достоверности если достоверность сигналов сигналов может быть вызвано различными причинами: 1) недостаточной чувствительностью принимающей оптико-электронной системы ЛДА вследствие небольшого напряжения, подаваемого на ФЭУ;

2) малой счетной концентрацией светорассеивающих частиц;

3) недостаточным усилением сигнала. В тоже время достоверность сигналов будет снижаться и вследствие: 1) слишком большого напряжения ФЭУ;

2) высокой счетной концентрации частиц;

3) избыточного усиления сигнала. Таким образом, получение максимальной достоверности сигналов возможно при оптимальном значении чувствительности оптико-электронной системы ЛДА. По-видимому, наблюдаемое в экспериментах снижение достоверности сигналов при d 2 мм (см. Рис.

2.16), было вызвано, прежде всего, высокой концентрацией дисперсной фазы снижающей как частоту поступления данных на ФЭУ (см. Рис.

2.15а), так и, видимо, отношение «сигнал-шум» из-за перекрытия частицами лазерных, пучков формирующих измерительный объем.

Предпринятая в настоящей работе попытка проведения измерений скоростей частиц при больших диаметрах струи путем повышения напряжения, подаваемого на ФЭУ, до U = 1 кВ позволила увеличить частоту поступления данных и величину анодного тока ФЭУ (кривые на Рис. 2.15а и Рис. 2.15б), но не дала возможности достичь приемлемых значений достоверности сигналов (кривая 2 на Рис. 2.16) вследствие описанных выше причин.

Совместный анализ данных, приведенных на Рис. 2.15 и 2.16, показал, что максимальный диаметр запыленной струи, при котором можно измерить скорости частиц стекла диаметром 200 мкм, равен d lim = 3,5 мм. Указанному диаметру струи соответствовала объемная концентрация частиц, вычисленная с использованием (2.3.1):

Фlim = 0,17. Аналогичные измерения позволили определить предельные диаметры запыленной струи и соответствующие им объемные концентрации для частиц других размеров. Так, для частиц стекла диаметром 50 и 100 мкм было получено d lim = 1,6 мм ( Фlim = 0,24 ) и d lim = 2,7 мм ( Фlim = 0,20 ) соответственно. С использованием (2.2.9) были найдены соответствующие величины счетной концентрации, которые для частиц стекла диаметром 50, 100 и 200 мкм составили N p lim = 36,7 1011, 3,8 1011 и 0,4 1011 1/м3 соответственно. Таким образом, при моделировании близких к предельно возможным в запыленном потоке значениям объемных концентраций, меньшие значения счетной концентрации более крупных частиц позволили провести измерения при больших толщинах потока.

Далее была предпринята попытка нахождения параметров гетерогенного потока (толщина, размер частиц и их объемная концентрация), при которых возможно использование ЛДА для измерения скоростей частиц дисперсной примеси. Анализ проводился для учета лишь одного из ограничивающих применение ЛДА факторов, отмеченных в начале главы (см. раздел 2.2), а именно, ослабления лазерных пучков, формирующих измерительный объем, с ростом концентрации и толщины потока.

Частота поступления данных сильно зависит от расстояния между измерительным объемом и стенкой (местом ввода лазерных пучков в гетерогенный поток), ограничивающей течение. Эта зависимость вызвана уменьшением с ростом глубины зондирования вероятности того, что лазерные пучки могут сформировать измерительный объем, т.к. чем глубже в потоке находится измерительная область, тем сильнее вероятность блокирования лазерного пучка дисперсной примесью. В работе [51] было показано, что с ростом содержания газовой фазы и глубиной зондирования вероятность проникновения лазерного пучка в поток содержащий пузырьки уменьшается по экспоненциальной зависимости.

Для изменения интенсивности излучения I S, проходящего через слой газа толщиной l, с объемной концентрацией дисперсной примеси Ф, имеющей характерный размер d p, по отношению к начальной интенсивности I 0 в [40, 41, 58] приводится выражение:

3l IS = exp Ф. (2.3.5) 2d I0 p При этом в [40] предполагается, что данное соотношение будет справедливо и для средних по времени интенсивностей рассеянного излучения фиксируемых на приемном устройстве в таких же условиях и при одинаковой интенсивности начального излучения, а следовательно, можно предполагать, что подобную зависимость будет иметь и частота поступления данных. Данное предположение согласуется с выводами, сделанными при анализе выражения (2.3.3) на Рис. 2.17.

Необходимо отметить, что зависимость (2.3.5) качественно повторяет экспоненциальный закон Бугера-Ламберта-Бера [42, 93, 94], описывающий ослабление монохроматического излучения при его прохождении через среду, содержащую светорассеивающие или светопоглощающие частицы (при допущении, что концентрация примеси невелика и режим рассеяния однократный): Многократное рассеяние является наиболее важной причиной, приводящей к отклонению закона затухания оптического излучения от экспоненциального [94, 95]. Эта причина связана с регистрацией рассеянного в направлении приема оптического излучения I S = I 0 exp( ), (2.3.6) где I 0 – начальная интенсивность или интенсивность излучения в среде не содержащей примеси, I S – интенсивность излучения после ослабления;

– оптическая толщина слоя среды.

Ослабляющая среда характеризуется рядом параметров, таких как оптическая плотность, коэффициент ослабления, коэффициент прозрачности и коэффициент пропускания.

Оптическая плотность потока D определяется как:

I D = lg ;

Is коэффициент ослабления складывается из коэффициента поглощения и рассеяния и связан с оптической плотностью D как D = 2.3.

l Зная коэффициент ослабления можно найти оптическую толщину как = l ;

и более строго как L = ( l ) dl.

Коэффициент прозрачности y (спектральный) определяется как y = exp( ).

Характерные значения осредненного коэффициента прозрачности для атмосферы приведены на Рис. 2.18 [79].

Выражение для коэффициента пропускания T имеет вид IS = exp( ) = exp( l ).

T= I На светопоглощающих свойствах дисперсной среды, описываемых зависимостью (2.3.6), основаны оптические абсорбционные методы измерения концентрации пыли в промышленных пылегазовых потоках содержащих (0,1–100 мкм), созданы и успешно используются оптические абсорбционные пылемеры [93]. Также на основании (2.3.6.) многими исследователями с помощью лазерных методов изучались характеристики дисперсных сред с крупными частицами ( 1 ), в частности размеры и концентрация содержащихся в ней частиц примеси [3, 39, 42, 43, 48–50, 58, 80].

Коэффициент Дальность Состояние атмосферы прозрачности видимости в км Воздух абсолютно чист………….......... 0,99 Исключительно высокая прозрачность 0,97 Воздух очень прозрачен………………. 0,96 Хорошая прозрачность………………... 0,92 Средняя прозрачность………………… 0,81 Воздух несколько мутен……………..... 0,66 Воздух мутен (мгла)…………………... 0,36 Воздух очень мутен (сильная мгла)….. 0,12 Легкий туман…………………………... 0,015 от 210-4 0, Туман…………………………………… до 810-10 0, от 10-19 0, Густой туман…………………………...

до 10-34 0, Рис. 2.18. Коэффициент прозрачности атмосферы, отнесенный к расстоянию в 1 км Выражение, аналогичное (2.3.5), получено в [81] для вероятности P того, что в потоке с частицами диаметром d p и объемной концентрацией Ф, луч с предполагаемым диаметром d p и длиной l не будет содержать внутри себя ни одной частицы, а следовательно, не будет блокирован:

3l P = exp Ф. (2.3.7) 2 dp Можно заметить, что при определении расстояния между частицами как l 3 = d p 3 ( 6Ф ), значения оптической толщины определяемое из (2.3.5) и (2.2.9) будут относиться между собой как 0,785.

С учетом (2.3.5) и принимая во внимание (2.3.6) условие малости эффектов взаимодействия рассеянного излучения от разных частиц (2.2.3) для потока с крупными частицами можно записать как l d p 2 ( 3Ф ), что фактически определяет порядок величины удельного расстояния как l d p O( 10 )Ф 1.

Из (2.3.5) и (2.3.7) следует, что уменьшение размера частиц, а также увеличение их объемной концентрации и толщины потока приводит к ослаблению лазерных пучков и уменьшает вероятность формирования измерительного объема.

Принимая во внимание, что возможность измерения концентрации частиц в потоке на основании тарировочной зависимости (2.3.5) ограничена сортом частиц, для которого была получена эта зависимость [80], предположим, что для данного сорта частиц работоспособность используемой измерительной системы (имеющегося ЛДА) на разных режимах характеризуется своим значением предельной вероятности Plim = Plim ( Фlim,llim, d p ), совпадающей с определением предельной оптической толщины потока.

определяемым из (2.3.7) по ранее найденным llim = d lim и Фlim. Характеристику ЛДА, показывающую возможные для его использования режимы течения, удобно представить в виде зависимости предельной толщины потока от концентрации и диаметра частиц:

llim = llim ( Ф, d p ).

С помощью найденных значений предельной вероятности Plim и соотношения (2.3.7) зависимость для llim приобретает вид:

2 dp ln(Plim ), llim = (2.3.8) 3Ф Рассчитанные по соотношению (2.3.8) кривые приведены на Рис. 2.19, точки соответствуют экспериментальным условиям.

l lim, мм 6 4 0,01 0,1 Ф Рис. 2.19. Зависимость максимальной толщины потока от объемной концентрации:

1, 4 – dp = 50 мкм;

2, 5 – dp = 100;

3, 6 – dp = 200 мкм;

кривые 1–3 – расчет по соотношению (2.3.8);

символы 4–6 – эксперимент Область под кривыми определяет возможные значения основных параметров течения (толщина, концентрация) с соответствующим размером частиц, допускающих ЛДА-измерения скоростей твердых частиц с минимальной погрешностью.

2.3.3. Выводы к разделу В результате методического исследования был проведен анализ возможности применения ЛДА для изучения характеристик гетерогенных потоков, характеризующихся высоким содержанием дисперсной фазы. Установлено, что использование ЛДА в сильнозапыленных потоках ограничено глубиной зондирования.

Расстояние между вводом лазерных пучков в поток и местом измерения является определяющим ограничивающим фактором возможности проведения измерений. Предложена методика, позволяющая определять критичные параметры потока (толщина, размер частиц, объемная концентрация частиц), при которых возможно использование ЛДА.

2.4. Экспериментальные установки. Используемые твердые частицы. Режимы В экспериментах для измерения характеристик дисперсной фазы использовалось два метода оптической диагностики запыленных потоков: метод лазерно-доплеровской анемометрии и метод анемометрии изображения частиц (PIV). В данном разделе приведены схемы и принципы действия экспериментальных стендов для каждого из этих двух средств диагностики, на которых проводилось исследование сильнозапыленных потоков «газ – твердые частицы». Обоснован выбор использовавшихся режимов гетерогенного течения. Описаны характеристики частиц, использовавшихся в экспериментах.

2.4.1. Экспериментальная установка для изучения нисходящих сильнозапыленных потоков на основе метода ЛДА.

Исследование структуры нисходящих запыленных потоков на всех экспериментальных режимах (см. Прил. 2) выполнялось на экспериментальном стенде (см. Рис. 2.20–2.22), созданным в отделе теплообмена ОИВТ РАН, позволяющем на рабочих участках различной конфигурации моделировать режимы в широком диапазоне параметров потока и проводить измерения мгновенных скоростей как газовой, так и твердой фаз с помощью диагностического комплекса на основе ЛДА модели LDA 10.

Работа установки при изучении нисходящего турбулентного запыленного потока воздуха в вертикальной трубе на Режимах №2 и № (см. Прил. 2) происходила следующим образом. Воздух предварительно нагнетался компрессором 1 в баллоны 2 общей емкостью 320 л до давления 13 МПа, что обеспечивало стабильную работу установки в течение 2030 минут при расходе воздуха до 10,4 г/c. Далее по соединительным трубкам воздух поступал в магистральный канал через ресивер 4. Часть воздуха отбиралась для подачи в генератор 5. частиц-трассеров Ресивер использовался для сглаживания пульсаций несущей фазы. С помощью генератора 5 в поток осуществлялась подача глицериновых частицытрассеров диаметром 25 мкм, предназначенных для измерения скорости газовой фазы. После прохождения ресивера и поворотного участка 3 воздух попадал в рабочий участок (вертикальная труба 6), где при его смешении с 7, дисперсной фазой, поступавшей из питателя формировался нисходящий гетерогенный поток. На Режимах №1 и №3 сжатый воздух не использовался.

Рис. 2.20. Фотография экспериментального стенда c диагностическим комплексом ЛДА Рис. 2.21. Фотография передающей оптики ЛДА 9 5 10 Рис. 2.22. Схема установки с ЛДА:

1 – компрессор;

2 – баллоны со сжатым воздухом;

3 – переходник;

4 – ресивер;

5 – генератор микрометровых частиц-трассеров;

6 – рабочий участок;

7 – питатель;

8 – твердые частицы;

9 – область измерений;

10 – осадительная камера;

11 – блок передающей оптики ЛДА Измерения проводились с помощью двухканального трехлучевого лазерного доплеровского анемометра модели LDA 10 производства фирмы «Dantec» (Дания), работающего по дифференциальной схеме.

Для измерения осевой скорости частиц использовался только один канал указанного ЛДА. Источником излучения в системе служил аргоновый лазер ЛГ-106М-1 отечественного производства мощностью до 1 Вт.

Рассеянный попадающими в измерительный объем частицами свет собирался приемной оптикой фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), сигнал с которого попадал на процессор доплеровского сигнала счетного типа (модель 55L90a LDA Counter Processor).

Оптическая система ЛДА (поз. 11 на Рис. 2.22) представлена на Рис.

2.23, а ее основные параметры приведены в Таблице 2.2.

Рис. 2.23. Оптическая система серийного ЛДА (LDA-10, Dantec):

1 – лазер;

2 – система расщепления луча;

3 – ячейка Брэгга;

4 – секция обратного рассеяния;

5 – фотоумножитель (ФЭУ);

6 – блок расширения лучей;

7 – фронтальная линза Таблица 2.2. Основные параметры оптической системы ЛДА Длина волны излучения лазера, мкм 1 0, Диаметр лазерного луча (по уровню е-2) dL, мм 2 1, 3 Коэффициент расширения луча E 1, 4 Фокусное расстояние фронтальной линзы f, мм 5 Поляризация зондирующих пучков верт.

6 Апертура приемной оптической системы D0, мм 7 Диаметр диафрагмы приемной оптической системы d, мм 0, 8 Угол между осью приемной оптической системы и плоскостью, перпендикулярной плоскости зондирования,, град.

9 Угол между осью приемной оптической системы и плоскостью зондирования, град.

Угол пересечения лучей, град.

10 9, Размеры измерительного объема (по уровню е-2) dxdydz, мм 11 0,0910, 1, Период интерференционной решетки f, мкм 12 3, 13 Кол-во периодов в измерительном объеме Nf 2.4.2. Экспериментальная установка для изучения нисходящих сильнозапыленных потоков на основе PIV-метода Измерения скоростей твердых частиц на Режиме №3 были проведены также с помощью метода PIV на экспериментальном стенде, фотография которого представлена на Рис. 2.24. При PIV-измерениях использовался измерительный комплекс «ПОЛИС» (Институт теплофизики СО РАН), его структурная схема представлена на Рис. 2.25.

Рис. 2.24. Фотография экспериментальной установки с диагностическим комплексом PIV Измерительная система «ПОЛИС», структурная схема которой показана на Рис. 2.25 включает в себя:

-лазер двойной импульсный имеющий длину волны 532.05 нм, мощность импульса 5x106 Вт и длительность импульса 5 нс;

частота повторения импульсов 1 – 8 Гц;

-системный блок c блоком питания лазера;

-два излучателя лазера;

-апертура лазера;

-две цифровые камеры 4MPix, имеющие формат изображения 2048x2048, размер пиксела 7.4x7.4 мкм, размер ПЗС матрицы 15.15x15.15 мм, кадровую частоту 3.4 Гц, время экспозиции 120 мс.

- синхронизатор;

- персональный компьютер с системой сбора и обработки данных включающей в себя два контроллера камер и программный пакет ActualFlow разработанный в Институте теплофизики СО РАН.

Рис. 2.25. Структурная схема измерительной системы «ПОЛИС»

В ходе выполнения PIV-измерений производился контроль и оптимизация следующих параметров: концентрация и размер частиц трассеров, размер измерительной области, энергия лазерного излучения, толщина лазерного ножа (0,5 – 3 мм), фокусное расстояние оптической системы (0,3 м – ), размер диафрагмы входного объектива камер, время между измерениями (10 мкс – 259 мс), число кадров, адаптивные алгоритмы расчетных процедур.

2.4.3. Параметры гетерогенного потока, варьируемые в экспериментальном исследовании Свойства гетерогенного потока зависят от большого числа параметров, изменение которых может сильно влиять на характер течения. На формирование гетерогенного потока большое влияние оказывают геометрия канала и условия подачи частиц, физические свойства частиц, их концентрация, полидисперсность. Динамика потока сильно зависит от свойств несущей среды (воздуха). В приведенном исследовании варьировались размеры частиц, их концентрация, геометрия рабочих участков, а также параметры несущего газа.

2.4.4. Особенности моделирования потоков с частицами При разгоне частиц в потоке с постоянным значением осредненной скорости, необходимо учитывать инерционность частиц по отношению к времени изменения осредненной скорости газа. Основным критерием стабилизации гетерогенного потока является полнота (завершенность) разгона частиц к измерительному сечению, которая характеризуется их числом Стокса в осредненном движении:

Stk f = p / T f, где p – время динамической релаксации частиц, T f - характерное время несущей фазы в осредненном движении.

Число Стокса в крупномасштабном пульсационном движениях для таких потоков:

Stk L = p / TL.

Характерное время несущей фазы в осредненном движении T f обычно превышает интегральный лагранжев масштаб турбулентности TL, характеризующий время жизни энергонесущих вихрей.

Для создания на Режимах №2 и №4 к измерительному сечению установившегося гетерогенного потока (обеспечение полноты разгона частиц) необходимо, чтобы характерное время несущего газа по крайней мере в несколько раз превышало время динамической релаксации частиц p. Характерное время несущего газа в осредненном движении может быть оценено как отношение длины экспериментального участка L (расстояние от места ввода частиц до измерительного сечения) к характерному значению осредненной скорости U x, т.е.

Tf = L / Ux.

L = O(1000) Для созданной экспериментальной установки мм, а U x = O( 10 ) м/с. Следовательно, характерное время несущего газа в осредненном движении T f равно сотням миллисекунд. Вследствие этого, время релаксации частиц p p d 2 / 18µ p должно быть порядка p O ( 10 1 ) c или меньше. Длина канала, параметры несущего газа, размер и плотность частиц дисперсной фазы для данных режимов подбирались, исходя из этого требования.

2.4.5. Используемые твердые частицы В этом подразделе будут описаны характеристики использованных в экспериментах частиц и рабочий диапазон концентраций. Физические свойства частиц (прежде всего, размер и плотность) выбирались строго в соответствии с поставленными в работе задачами. По классификации турбулентных гетерогенных потоков по инерционным числам Стокса [4] предметом диссертационного исследования являлись неравновесные потоки, характеризующиеся наличием межфазного динамического скольжения в осредненном и пульсационном движениях, а также потоки с крупными инерционными частицами влиянием на которых пульсационного движения несущей среды можно пренебречь. Числа Стокса в осредненном и крупномасштабном пульсационных движениях для таких потоков Stk f O( 1 ), Stk L O( 1 ) и Stk f O( 1 ), Stk L соответственно.

Таблица свойств, фотографии частиц и распределение по фракциям для всех типов частиц представлены ниже.

Таблица 2.3. Характеристики используемых частиц Материал Плотность Номин. Ср. квадр. откл. Время материала p, частиц диаметр dp, диаметра, динамич.

релакс. p, с кг/м3 мкм мкм SiO2 2550 50 4,5 0, SiO2 2550 100 7,5 0, SiO2 2550 200 15,8 0, Fe 7800 100 8,6 0, Как видно из Таблицы 2.3 в экспериментах использовались сферические частицы стекла и железа, различающиеся по плотности и размерам. Фотографии и распределения частиц по размерам представлены на Рис. 2.26–2.34.

Рис. 2.26. Фотография частиц стекла с номинальным диаметром 50 мкм % 0 20 40 60 80 d p, мкм Рис. 2.27. Распределение частиц стекла с номинальным диаметром 50 мкм по размерам Рис. 2.28. Фотография частиц стекла с номинальным диаметром 100 мкм % 0 40 80 120 160 d p, мкм Рис. 2.29. Распределение частиц стекла с номинальным диаметром 100 мкм по размерам Рис. 2.30. Фотография частиц стекла с номинальным диаметром 200 мкм % 100 150 200 250 d p, мкм Рис. 2.31. Распределение частиц стекла с номинальным диаметром 200 мкм по размерам Рис. 2.32. Фотография частиц железа с номинальным диаметром 100 мкм % 0 40 80 120 160 d p, мкм Рис. 2.33. Распределение частиц железа с номинальным диаметром 100 мкм по размерам 60 % 0 40 80 120 160 d p, мкм Рис. 2.34. Гистограммы числового распределения по размерам:

1 – частиц стекла (100 мкм);

2 – частиц железа (100 мкм);

3 – бидисперсной смеси частиц (стекло 100 мкм + железо 100 мкм) 2.4.6. Концентрация частиц По классификации турбулентных гетерогенных потоков по концентрации [4] предметом исследований являлись преимущественно сильнозапыленные течения, в которых столкновительное взаимодействие оказывает значительное влияние на поведение твердых частиц. Объемная концентрация частиц в таких потоках изменяется в диапазоне = 10 4 10 2. Присутствие в газовом потоке твердых частиц с относительной плотностью их материала p / = 10 3 10 предопределяет следующий рабочий диапазон значений их массовой концентрации 0,1 1 M 10 100.

2.4.7. Экспериментальные режимы Основные параметры экспериментальных режимов диссертационного исследования приведены Таб. 2.4. Более подробно параметры режимов приведены в Приложении 2.

Таблица 2.4. Экспериментальные режимы Средн.

Диам Длина Твердые частицы Скор-ть масс.

Режим раб раб воздуха Задача конц.

№ участк участка Uxс, м/с Диам-р М Матер-л D, мм L0/D dp, мкм Стекло Частица 46 30 100 0,03–0,4 Железо частица Частица 46 30 Стекло 100 0,03–5,0 4, частица Частица 17.3 24 Стекло 200 5,0–5,6 стенка Частица 25 45 Стекло 200 0,4–3,5 3, стенка 2.5. Выводы к главе В результате выполнения методической части диссертационного исследования была изучен комплекс метрологических проблем, возникающих при исследованиях сильнозапыленных гетерогенных потоков с использованием лазерных доплеровских анемометров (ЛДА).

Показана возможность использования серийного лазерного доплеровского анемометра для исследования сильнозапыленного потока.


1) Изучены особенности проведения корректных измерений скоростей крупных частиц с использованием ЛДА.

2) Рассмотрены причины, затрудняющие проведение ЛДА измерений в сильнозапыленных потоках. Проведен анализ возможности применения ЛДА для измерений скоростей твердых частиц в сильнозапыленных потоках.

3) Экспериментально изучено влияние параметров исследуемого потока на характеристики доплеровского сигнала. Проанализированы зависимости основных характеристик доплеровского сигнала от режимов течения.

4) Экспериментальным путем установлены параметры гетерогенного потока, при которых возможно использование ЛДА.

5) Развита методика оценки возможности использования ЛДА для измерений скоростей твердых частиц в сильнозапыленных потоках.

Предложенная методика, позволяет определять критичные параметры потока (толщина, размер частиц, объемная концентрация частиц), при которых возможно использование ЛДА.

ГЛАВА ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЛКНОВЕНИЙ ЧАСТИЦА-ЧАСТИЦА 3.1. Предварительные замечания Данная глава описывает результаты изучения влияния межчастичных столкновений, вызванных скольжением полидисперсных твердых частиц в осредненном движении, на их характеристики для случая нисходящего запыленного течения в трубе ( D = 46 мм). Измерения проводились в одном сечении на расстоянии 1380 мм от места ввода частиц в рабочий участок.

3.2. Введение Особенности движения частиц и интенсивность проистекающих межфазных процессов в значительной мере зависят от инерционности дисперсной фазы и ее концентрации в потоке. Поведение частиц может значительно определяться процессами столкновительного взаимодействия частиц между собой в дополнении к эффектам транспортирования и турбулентности, если концентрация частиц имеет высокое значение (объемная концентрация частиц Ф 0,001 ).

С ростом концентрации частиц вероятность столкновений между ними увеличивается. Время между столкновениями частиц (или частота столкновений) при одном и том же значении, например, массовой концентрации, будет также сильно зависеть от размера (инерционности) дисперсной фазы. Это происходит потому, что физические механизмы, приводящие к столкновениям частиц между собой, могут быть самыми различными. Для того, чтобы произошло столкновение двух сферических частиц, необходимо, чтобы движущиеся частицы сблизились на расстояние, равное сумме их радиусов. Такое сближение возможно, по-видимому, только тогда, когда частицы имеют различные значения скоростей.

В случае потока содержащего бидисперсные частиц межчастичное взаимодействие может происходить при относительно малых значениях концентрации частиц из-за большой разницы скоростей частиц разных фракций. Существует несколько теоретических работ [1–20], где рассматриваются столкновения частиц между собой в бинарных смесях.

Очевидно, динамика бинарной смеси частиц будет отличаться для частиц разных фракций из-за интенсивного межчастичного взаимодействия. Вследствие этого актуальность исследования потоков с частицами, которые различаются по своим свойствам и, как следствие, имеют различные скорости является высокой.

3.3. Теоретическая оценка интенсивности столкновений частиц Столкновительное взаимодействие частиц между собой в основном зависит от концентрации частиц в потоке, их размеров и их пульсационных скоростей. Основные физические параметры, характеризующие процесс межчастичного взаимодействия это – частота столкновений, время между столкновениями, средняя длина пробега между столкновениями.

Ниже приводятся простые выкладки, позволяющие проводить оценки важности процесса столкновений частиц, движущихся с разными скоростями. Основные допущения модели: рассматривается одномерное течение;

частицы имеют сферическую форму;

принимаются во внимание только парные (бинарные) столкновения.

Выражение для частоты столкновений некоторой фиксированной частицы i, претерпевающей соударения с частицами сорта j, в рамках приемлемой в данном случае цилиндрической формулировки имеет вид f cij = N j, (3.1) где Nj – счетная концентрация частиц фракции j в потоке;

D p = W xji, D p = d pi + d pj, W xji = V xi V xj.

где d pi, d pj, – диаметры частиц фракции i и j.

V xi, V xj –осевые составляющие скоростей частиц фракции i и j.

Частота столкновений частиц различных размеров и плотностей, оседающих в неподвижном газе, может быть определена с использованием соотношения (3.1). Оценку произведем в предположении о том, что движение частиц подчиняется закону Стокса.

В этом случае скорости осаждения частиц сортов i и j находятся как pi d pi V xi = p 0i g = g, (3.2) 18µ pj d pj V xj = p 0 j g = g, (3.3) 18µ где p0i, – время динамической релаксации;

p0 j pi, pj – плотность материала фракции;

µ – динамическая вязкость газа;

g – ускорение свободного падения.

Используя (3.2), (3.3) и учитывая (3.1), получаем соотношение для ядра столкновений частиц при их гравитационном осаждении в неподвижном газе gD pi d 2 pj d 2.

= (3.5) pi pj 72µ Из (3.1) с учетом (3.5) находим выражения для частоты столкновения частиц в следующем виде gD 2 2 pi d pi pj d pj N j.

= f cij (3.6) 72µ Столкновительное число Стокса для частиц, движущихся в неподвижном газе pi Stk cij =, (3.7) cij где c – среднее время между соударениями частиц.

При этом учтем, что время между соударениями cij = 1 / f cij Тогда из (3.7) с использованием (3.2), (3.3) и (3.6) несложно получить g pi d pi D 2 pi d pi pj d 2 N j 2 pj Stk cij =, (3.8) 1296 µ Бидисперсные частицы одинакового размера. Соответственно экспериментальным условиям для Режима №1,А и Б, анализируемый в данном разделе механизм столкновений частиц, будет заключаться в наличии разницы скоростей витания частиц, имеющих различные плотности. В этом случае равны размеры частиц, т.е. d pi = d pj = d p.

Диаметр цилиндра столкновений в этом случае:

D p = d pi + d pj = 2d p.

Таким образом, соотношение (3.8) для оценки числа Стокса можно записать как g pi d 6 pi pj N j p Stk cij =. (3.9) 324 µ Учитывая, что счетная концентрация частиц фракции j в трубе в неподвижном воздухе с плотностью связана с их массовой концентрацией M j как:

6 M j Nj =, (3.10) pi d p выражение (3.9) можно записать в виде g pi d 3 pi pj M p j Stk cij =. (3.11) 54 pj µ Полидисперсные частицы одинаковой плотности. В соответствии с экспериментальными условиями для Режима №2, одним из основных как будет показано ниже механизмов столкновений частиц, будет различие их скоростей в осредненном движении в поле силы тяжести, из-за различных размеров. Полидисперсные частицы с номинальным диаметром d p = 100 мкм в этом случае можно условно представить как смесь двух фракций (сортов) 1-ой и 2-ой соответственно с d p1 = 90 d p 2 = номинальными размерами мкм и мкм, т.е.

d p1 = 0,9d p и d p 2 = 1,1d p. Определим для этого случая через параметры полидисперсной смеси частиц интенсивность процесса межчастичных столкновений с помощью чисел Стокса определяемых как p Stk c1,2 = (3.12), c1, p Stk c 2,1 = (3.13).

c 2, Диаметр цилиндра столкновений в этом случае:

D p = d p1 + d p 2 = ( 0,9 + 1,1 )d p = 2d p.

При допущении, что скольжение частиц в нисходящем турбулентном потоке газа в осредненном движении зависит от их скоростей осаждения и определяется как W x1,2 = V x1 V x 2, pd p 2 где V x1 = p1 g = 0,9 p g = 0,9 g, (3.14) 18µ pd p 2 Vx 2 = p 2 g = 1,1 p g = 1,1 g. (3.15) 18µ Частота столкновений частиц 1-ой фракции с частицами 2-ой фракции в этом случае будет определяться выражением D p V x1 V x 2 N 2 = d p 2 p g 0,9 2 1,12 N 2.

f c1,2 = = (3.16) c1,2 Столкновительное число Стокса (3.12) с учетом (3.14) и (3.16) можно записать в виде Stk c1,2 = d p 2 p 2 g 0,9 2 1,12 N 2. (3.17) Счетная концентрация частиц N 2 зависит от массовой и объемной концентрации как 6 N2 = M2 = 3 3 M2, p 1,1 d p p d 3 p 6 N2 = Ф2 = Ф2.

d 3 2 1,13 d p p Тогда выражение (3.17) можно записать в виде 0,9 2 0,9 2 1,12 6 g p = M 2, Stk c1,2 (3.18) dp p 1, 0,9 2 0,9 2 1,12 6 g p Stk c1,2 = Ф2. (3.19) 3 dp 1, Для частиц 2-го сорта соответствующее число Стокса (3.13) будет иметь вид Stk c 2,1 = d p 2 p 2 g 1,12 0,9 2 N 1, 1,12 1,12 0,9 2 6 g p = M1, Stk c 2, dp p 0,9 1,12 1,12 0,9 2 6 g p Stk c 2,1 = Ф1.

3 dp 0, Если счетные концентрации двух фракций полидисперсной смеси частиц равны т.е.

N 1 = N 2 = 0,5N, (3.20) то массовая и объемная концентрации частиц 2-ой и 1-ой фракции связаны соответственно суммарной массовой и объемной концентрациями как d 32 M p M2 = 3 ;

(3.21) dp d 32 Ф p Ф2 = 3. (3.22) dp и, соответственно d 31 M p M1 = 3 ;

(3.23) dp d 31 Ф p Ф1 = 3. (3.24) dp Суммарная счетная концентрация частиц связана с суммарной массовой и объемной концентрацией как 6 N= M = 3 Ф. (3.25) d 3 p d p p Подставляя (3.25) с учетом (3.20) в (3.17) или пользуясь (3.21) и (3.22) совместно с (3.18) и (3.19) получим столкновительное число Стокса для частиц 1-ой фракции ( d p1 = 0,9d p ) Stk c1,2 = 0,5 0,9 2 0,9 2 1,12 d p 2 p 2 gN, p2g 2 2 = 6 0,5 0,9 0,9 1, Stk c1,2 M, (3.26) dp p p2g 2 2 Stk c1,2 = 6 0,5 0,9 0,9 1,1 Ф.

dp Аналогично можно получить выражения для Stk c 2,1.

Анализируя (3.21)–(3.24) можно сделать вывод о том, что числа Stk c1,2 и Stk c 2,1 при условиях разбиения смеси на фракции по принципу N 1 = N и M 1 = M 2 ( Ф1 = Ф2 ) будут относиться между собой как 1,33 и 0, соответственно.

Отметим, что полученные выше результаты могут быть использованы не только для случая гравитационного осаждения (Режим №1), но и для анализа столкновений крупных частиц при их движении в ламинарных и турбулентных потоках (Режима №2).

Действительно, в случае течения с крупными частицами, когда время релаксации дисперсной фазы значительно превышает характерное время крупномасштабных турбулентных вихрей p TL, т.е. Stk L, их движение и разница скоростей определяется в значительной мере действием силы тяжести. Такие частицы не будут реагировать на турбулентные пульсации скорости несущего газа, а распределения их осредненных скоростей будут практически однородными по сечению канала. Основной же причиной динамического скольжения крупных частиц, а также разницы скоростей частиц различных размеров и (или) плотностей, будет (в случае вертикального потока) действие силы тяжести.


Стоксовое приближение зависимости аэродинамического сопротивления частицы от числа Re и не учет влияния концентрации при определении скольжения частиц в осредненном движении требует экспериментальной проверки соответствия величины частоты столкновения, определяемой (3.6) наблюдаемому характеру поведения дисперсной фазы.

3.4. Результаты исследования Метод измерений. На Режимах №1 и №2 измерения мгновенных скоростей твердых частиц проводились на основе метода лазерной доплеровской анемометрии [21]. Все измерения проводились для одного измерительного сечения на оси трубы на расстоянии L0 = 1380 мм от места ввода частиц в рабочий участок. Параметры воздуха не контролировались ввиду сложности одновременных ЛДА-измерений параметров частиц и воздуха при концентрациях частиц в потоке M O (10).

Средняя по измерительному сечению массовая расходная концентрация твердых частиц определялась весовым способом и варьировалась посредством установки крышек питателя с отверстиями разных диаметров. Относительная локальная массовая концентрация частиц в измерительном сечении измерялась с помощью методики [22].

3.4.1. Гравитационное осаждение. Режим № Методика исследования. В данном исследовании [23, 24] мы сделали попытку проанализировать процесс столкновения частиц между собой с помощью измерений осредненных и пульсационных скоростей частиц при их движении в неподвижном воздухе.

Эксперименты по осаждению частиц проводились для двух режимов (см. Прил. 2): Режим №1А – режим осаждения частиц стекла (при различных концентрациях);

Режим №1Б – режим осаждения смеси частиц стекла и железа (при различных концентрациях).

Целью экспериментов являлось выявление эффекта присутствия дополнительной примеси (более тяжелой фракции частиц железа) на характеристики движения изначально монодисперсных твердых частиц стекла при их гравитационном осаждении в вертикальной трубе. С этой целью оптикоэлектронная система ЛДА была настроена таким образом, чтобы фиксировать только скорости частиц стекла.

Случай присутствия в потоке бидисперсных частиц (Режим №1Б) интересен тем, что межчастичные столкновения могут происходить при относительно низких концентрациях дисперсной фазы. Бидисперсные частицы получались путем смешения частиц стекла (Рис. 2.28 Гл. 2) и железа (Рис. 2.32) с номинальными диаметрами 100 мкм. Гистограммы распределения по размерам частиц стекла и железа, а также получаемой из этих частиц смеси приведены на Рис. 2.34. Количество частиц стекла и железа и их объем в смеси были равны. Следует отметить, что при одинаковом объеме, масса частиц железа в смеси в 3,06 раз больше, чем частиц стекла.

Для корректного сравнения результатов измерений, полученных в ходе экспериментов для обоих типов дисперсной фракции, обеспечивались одинаковые условия подачи частиц в рабочий участок.

Рабочие параметры. Схема установки приведена на Рис. 2.22.

Рабочий участок представляет собой вертикальную трубу из нержавеющей стали 12X18H10T с внутренним диаметром D = 46 мм.

L = Длина трубы мм. Для создания гетерогенного потока (запыленной струи) смесь твердых частиц загружалась в «питатель»

емкостью 2 л. откуда подавалась в рабочий участок вниз через отверстие в крышке «питателя» и центрирующую трубку. В качестве дисперсной фазы использовались сферические частицы стекла и железа одинаковых размеров (номинальный диаметр d p = 100 мкм, среднеквадратичное отклонение диаметра – 8 мкм). Плотность материала частиц равнялась p = 2550 и 7800 кг/м3 соответственно.

Предварительная оценка интенсивности столкновений. Анализ интенсивности столкновительного взаимодействия для случая осаждения бидисперсных твердых частиц в неподвижном воздухе можно провести с помощью теоретической оценки столкновительных чисел Стокса. Интенсивность межчастичных столкновений для Режима №1Б была оценена перед проведением экспериментов с использованием соотношения (3.11). Для данного режима суммарную массовую концентрацию частиц в потоке можно определить как M = Mi + M j, где индексы i и j относятся к фракции стекла и железа соответственно.

При допущении, что скорости частиц обеих фракций одинаковы, массовые концентрации частиц стекла и железа в бидисперсной смеси относятся как M i M j = pi pj = 3,06.

Полученное в результате оценки распределение числа Стокса для частиц стекла в бидисперсной смеси Stk cij в зависимости от суммарной массовой концентрации частиц приведено на Рис. 3.1.

Данные Рис. 3.1 свидетельствуют о том, что столкновения частиц между собой начинают оказывать влияние на движение дисперсной фазы ( Stk c 0,1), когда суммарная концентрация смеси M 0,1.

Результаты и обсуждение. Результаты измерений скоростей частиц стекла (Режим №1А;

распределения 1), а также частиц стекла в присутствии частиц железа (Режим №1Б;

распределения 2) для трех крышек «питателя» приведены на Рис. 3.2. Результаты, для удобства анализа, объединены попарно (Рис. 3.2, а–в), соответственно для трех фиксированных размеров отверстий «питателя», используемых в экспериментах для обеих фракций. Приведенные данные показывают, что скорость частиц стекла в значительной мере зависит от значения их массовой концентрации.

Stkc 0, Stkc ij Stkc ji 0, 0,01 0,1 1 М Рис. 3.1. Распределение «столкновительных» чисел Стокса для частиц стекла (Stkcij) и железа (Stkcji) в зависимости от суммарной массовой концентрации бидисперсной смеси частиц стекла и железа (Режим №1Б) Для условий нашего эксперимента, следует иметь в виду, что полнота разгона частиц при осаждении в неподвижном воздухе определяется числом Стокса в осредненном движении Stk f, которое зависит от динамических инерционных свойств частиц. Данное число Стокса определяется (см. раздел 2.4.3) как:

p Stk f =, Tf где p время динамической релаксации частицы, T f характерное время несущего газа в осредненном движении.

Характерное время (в эксперименте для процесса осаждения – время взаимодействия частицы с неподвижным воздухом) может быть оценено как L Tf =.

Vsp Здесь Vsp – скорость осаждения частиц.

Для частиц стекла (скорость осаждения Vsp = 0,55 м/с;

время динамической релаксации p = 0,056 с) число Стокса составляет Stk f 0,02, что говорит о завершенности процесса разгона частицы к измерительному сечению в случае одиночного режима.

Приведенные данные показывают, что скорость частиц стекла возрастает с увеличением их массовой концентрации (Режим №1А;

распределения 1 на Рис. 3.2 а–в). Вероятно, это связано с уменьшением аэродинамического сопротивления частиц при их движении в стесненных условиях.

Также видно, что скорость частиц стекла в присутствии частиц железа (Режим №1Б;

распределения 2 на Рис. 3.2, а–в) превышает соответствующую характеристику для Режима №1А при фиксированном диаметре крышки «питателя». С ростом концентрации это различие возрастает. Необходимо отметить, что значение массовой концентрации частиц стекла в бидисперсной смеси (Режим №1Б) несколько ниже, чем для Режима №1А при одинаковом размере крышки «питателя». В то же время значение суммарной массовой концентрации бидисперсной смеси значительно (в 4,06 раза) превышает концентрацию частиц стекла.

Обобщение данных Рис. 3.2 на предмет получения зависимости скорости частиц стекла от их концентрации M = M i (кривая 1;

Режим №1А) и от суммарной массовой концентрации бидисперсной смеси M = M i + M j (кривая 2;

Режим №1Б) приведено на Рис. 3.3.

% а) 40 0 1 2 3 4 5 V x, м/с % б) 0 1 2 3 4 5 V x, м/с % в) 1 0 1 2 3 4 5 V x, м/с Рис. 3.2. Распределения осевых скоростей частиц стекла диаметром dp = 100 мкм на оси трубы в зависимости от локальной массовой концентрации частиц стекла (Mi) на Режиме №1А (распределение 1) и на Режиме №1Б (распределение 2):

1 – (а – Mi = 0,035;

б – 0,5;

в – 20);

2 – (а – Mi = 0,023;

б – 0,3;

в – 12) Из приведенных данных отчетливо видно, что при одинаковых значениях массовой концентрации скорость частиц стекла в бидисперсной смеси (кривая 2;

Режим №1Б) превышает скорость осаждения только частиц стекла (кривая 1;

Режим №1А). Указанная разница скоростей возрастает с увеличением массовой концентрации.

Этот эффект объясняется наличием столкновительного взаимодействия между частицами стекла и железа, имеющими разные скорости осаждения. В данном случае, более инерционные частицы железа имеют более высокие скорости осаждения. Частицы железа догоняют частицы стекла, взаимодействуют с ними, в результате чего скорость частиц стекла возрастает. С ростом концентрации бидисперсной смеси частота столкновений возрастает, что ведет к более интенсивному обмену импульсом между частицами (более значительному увеличению скорости частиц стекла).

Vx, м/c 3 0,01 0,1 1 10 M Рис. 3.3. Зависимость осредненной осевой скорости частиц стекла диаметром dp = 100 мкм на оси трубы от локальной суммарной массовой концентрации смеси частиц:

1 – Режим №1А (M = Mi);

2 – Режим №1Б (M = Mi + Mj) Данные Рис. 3.3 показывают, что различие между скоростями частиц стекла для Режимов №1, А и Б становится заметным, при массовой концентрации M 0,1. Вероятно, это значение концентрации можно рассматривать как граничное значение, при достижении которого межчастичные столкновения начинают оказывать влияние на поведение частиц.

Таким образом результаты предварительных проведенных оценок чисел Стокса для частиц стекла и железа в зависимости от суммарной массовой концентрации бидисперсной смеси подтверждаются экспериментальными данными.

Следовательно проведенную апробацию предложенного в подразделе 3.3 безразмерного критерия (столкновительного числа Стокса) для случая гравитационного осаждения бидисперсных частиц с использованием описанных экспериментальных данных можно считать вполне успешной.

Полученные для двух режимов экспериментальные данные по продольным и поперечным пульсационным составляющим скорости частиц стекла не позволили сделать вывод о каком-либо существенном влиянии на данную характеристику присутствия в запыленном потоке частиц железа.

3.4.2. Нисходящее течение. Режим № Методика исследования. На данном режиме мы сделали попытку проанализировать процесс столкновения частиц между собой с помощью измерений осредненных и пульсационных скоростей полидисперсных 100 мкм частиц стекла при их движении в турбулентном запыленном воздухе [25–27].

Рабочие параметры. Схема установки приведена на Рис. 2.22 (Гл. 2).

Рабочий участок представляет собой вертикальную трубу из нержавеющей стали 12X18H10T с внутренним диаметром D = 46 мм.

L = Длина трубы мм. Для создания гетерогенного потока (запыленной струи) смесь твердых частиц загружалась в «питатель»

емкостью 2 л. откуда подавалась в рабочий участок вниз через отверстие в крышке «питателя» и центрирующую трубку. Скорость воздуха на оси трубы равнялась U xc = 4,2 м/с (ReD = 11600). В качестве дисперсной фазы использовались сферические частицы стекла номинальным диаметром d p = 100 мкм и плотностью p = 2550 кг/м3. Средняя массовая концентрация частиц варьировалась в диапазоне M = 0,03 5. Локальная массовая концентрация частиц принимала значения в диапазоне M = 0,03 60.

Результаты и обсуждение.

Измерения показали, что при M 0,3 распределение частиц по сечению трубы однородно. При возрастании концентрации частиц их распределение перестает быть равномерным. Так, в осевой зоне трубы локальная концентрация частиц превышала, а вблизи стенки трубы, соответственно, становилась ниже ее среднего по сечению значения. Это связано с тем, что подача частиц осуществлялась в осевой зоне, а длина трубы была не достаточной для того, чтобы поток воздуха успевал выровнять поле концентрации частиц по всему сечению.

Измерения характеристик течения «чистого» воздуха показали, что осредненная скорость на оси трубы U xc = 4,2 м/с, а профиль осредненной скорости «чистого» воздуха достаточно хорошо описывается в области 0 r / R 0,9 степенным законом с показателем степени 1/8. Степень турбулентности «чистого» воздуха на оси трубы равнялась U x = ( u 2 )1 / 2 / U xc 6%, где ( u 2 )1 / 2 - среднеквадратичная x x пульсационная скорость воздуха без частиц.

Примеры измеренных распределений скоростей частиц стекла на оси трубы показаны на Рис. 3.4 а, б и в соответственно для трех значений массовой концентрации – М=0,03, М=0,5 и М=5,0.

% а) 2 3 4 5 6 V x, м/с % б) 2 3 4 5 6 V x, м/с % в) 2 3 4 5 6 V x, м/с Рис. 3.4. Распределения осевых скоростей частиц стекла диаметром dp = 100 мкм на оси трубы в зависимости от средней массовой концентрации частиц стекла (M):

а – M = 0,03;

б – 0,5;

в – Из приведенных данных можно сделать вывод о сужении поля значений скоростей частиц с ростом концентрации. Это означает уменьшение интенсивности пульсаций скорости частиц.

Анализ полученных распределений скоростей частиц отчетливо показал, что с ростом концентрации частиц при достижении M 0,25 0,3 кривая плотности вероятности скорости дисперсной фазы сужается, а среднеквадратичная пульсация скорости (интенсивность пульсаций) частиц уменьшается.

Наблюдаемые пульсации скоростей частиц в турбулентных потоках воздуха как правило, обусловлены двумя основными причинами, а именно: 1) вовлечением дисперсной фазы в пульсационное движение турбулентными вихрями несущего воздуха;

2) полидисперсностью частиц, т.е. наличием в потоке частиц разных диаметров, а следовательно, имеющих разные скорости.

Здесь необходимо отметить, что измеренные пульсации скоростей частиц практически не связаны с турбулентными пульсациями несущего воздуха и по своей природе не являются турбулентными пульсациями как таковыми. Основной причиной возникновения пульсаций скоростей частиц в данном случае является их полидисперсность, т.е. наличие в потоке частиц разных диаметров.

Подтверждением сказанного могут служить следующие два обстоятельства. Во-первых, используемые в настоящем исследовании частицы обладают значительной инерционностью Stk L = p / TL 4.

Следовательно, коэффициент вовлечения таких частиц в пульсационное движение равен f u = ( 1 + Stk L ) 1 0,2 [27]. Поэтому пульсационная скорость, приобретаемая частицами в процессе взаимодействия с турбулентными вихрями несущего воздуха должна быть значительно меньше, чем пульсационная скорость несущей фазы. Во-вторых, измеренная интенсивность пульсаций скоростей при осаждении одиночных частиц ( M = 0 ) в неподвижном воздухе ( U x = 0 ) находилась в согласии с оценкой различия их скоростей вследствие их полидисперсности. Так, отклонение диаметра используемых частиц от его среднего значения на 8 мкм (или 8%) ведет к различию во временах их динамической релаксации а, следовательно, и в скоростях частиц на 16%. Наблюдаемое же значение интенсивности пульсаций скоростей частиц в неподвижном воздухе было равно 15–18%.

Также из данных эксперимента можно сказать, что с ростом концентрации частиц их пульсационные скорости начинают уменьшаться в осевой зоне трубы и достигают своих минимальных значений на оси. Вблизи же стенки трубы интенсивность пульсаций скорости частиц практически не претерпевает изменений. Причиной этого явления является то, что вблизи оси трубы возрастала локальная концентрация частиц, и вероятно происходило интенсивное взаимодействие частиц между собой. В ходе этого взаимодействия осуществляется интенсивный обмен импульсом между частицами разных фракций, в результате которого более крупные частицы с высокими скоростями ускоряют более мелкие и, соответственно, более медленные частицы. В итоге, как видно из Рис. 3.4 кривая плотности вероятности скорости дисперсной фазы сужается, а среднеквадратичная пульсационная скорость уменьшается.

Анализ данных по интенсивности пульсаций скоростей частиц в зависимости от их локальной массовой концентрации показал, что столкновительное взаимодействие частиц, приводящее к снижению интенсивности пульсаций их скоростей, начинается при достижении концентрации значения M = 0,25.

Оценка интенсивности процесса межчастичных столкновений.

Проведем анализ данного столкновительного процесса посредством оценки величины соответствующего числа Стокса. Для этого представим полидисперсные частицы состоящими из двух фракций:

мелкой ( d p1 = 92 мкм) и крупной ( d p 2 = 108 мкм). Оценку выполним N1 = N 2. Проведение оценки при другом при допущении, что возможном допущении, как было показано выше, а именно при M 1 = M 2, не оказывает существенного влияния на конечный результат.

Используя (3.21) и (3.23) для значения массовой концентрации M = M 1 + M 2 = 0,5 при допущении о равенстве числовых концентраций мелких и крупных частиц N1 = N 2, несложно получить: M 1 = 0,19 и M 2 = 0,31.

При проведении оценки положим, что относительная скорость Vx1 Vx 2 = 0,15 м/c. Это значение крупных и мелких частиц равна соответствует разнице в скоростях витания рассматриваемых фракций частиц.

Степень влияния соударений частиц между собой на динамику дисперсной фазы может быть оценена путем определения столкновительного числа Стокса (см. подраздел 3.3). Данные времена легко определить с учетом отклонения закона обтекания частиц от закона Стокса. Они равны p1 = 0,049 с и p 2 = 0,063 с.

В результате из (3.18) имеем следующие величины значений чисел Стокса для определенного в экспериментах граничного значения концентрации частиц: Stk c12 = 0,049 и Stk c 21 = 0,071.

Из простых физических соображений ясно, что влияние межчастичных столкновений на характеристики движения дисперсной Stk c = O( 0,1 ).

фазы будет начинаться, если Таким образом, проведенную апробацию предложенного безразмерного критерия (столкновительного числа Стокса) с использованием данных проведенного исследования можно считать вполне успешной.

3.5. Выводы к главе Экспериментально изучено (характеристики движения) твердых частиц стекла при осаждении моно- и бидисперсной смеси твердых частиц в неподвижном воздухе, а также в нисходящем запыленном турбулентном потоке воздуха. Проведены ЛДА-измерения осевых составляющих осредненных скоростей твердых частиц стекла.

Результаты измерений согласуются с оценками величин столкновительного числа Стокса.

1) Эксперименты показали различие в скоростях твердых частиц для нисходящих потоков с малой и большой концентрацией. Рост концентрации частиц стекла приводит к увеличению скорости их осаждения Возможными причинами данного явления являются ускорение воздуха частицами при их высокой концентрации и малое аэродинамическое сопротивление частиц запыленной струи в стесненных условиях.

2) Обнаружен значительный рост (до 2,5 раз) скоростей частиц стекла в присутствии частиц железа из-за обмена импульсом в результате столкновительного взаимодействия между частицами фракций стеклянных и железных частиц.

3) Столкновительное взаимодействие частиц, приводящее к снижению интенсивности пульсаций их скоростей, начинается при достижении концентрации частиц соответствующей числу Stk c = O( 0,1 ).

ГЛАВА ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЛКНОВЕНИЙ ЧАСТИЦА-СТЕНКА 4.1. Предварительные замечания В данной глава изучены особенности поведения твердых частиц в нисходящих сильнозапыленных течениях ограниченными стенками.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.