Экспериментальное исследование поведения твердых частиц в сильнозапыленных потоках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Протасов, Михаил Витальевич

• Протасов, Михаил Витальевич
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Протасов, Михаил Витальевич

Условные обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1. Обзор.

1.1. Предварительные замечания.

1.2. Особенности исследования гетерогенных потоков.

1.3. Основные характеристики гетерогенных потоков.

Глава 2. Методика экспериментального исследования.

2.1. Предварительные замечания.

2.2. Метод ЛДА и его особенности.

2.2.1. Измерение скорости «чистого» воздуха.

2.2.2. Измерение скоростей твердых частиц.

2.2.3. Особенности ЛДА-измерений в сильноконцентрированных потоках с крупными частицами.

2.2.3.1. Влияние дисперсной примеси вне измерительного объема на условия работы ЛДА.

2.2.3.2. Влияние дисперсной примеси в измерительном объеме на условия работы ЛДА.

2.2.4. Контроль точности результатов.

2.2.5. Измерение концентрации частиц.

2.2.6. Оптимизация параметров ЛДА.

2.3. Анализ возможности и ограничений ЛДА-измерений в сильнозапыленных потоках.

2.3.1. Предварительные результаты.

2.3.2. Экспериментальная установка и результаты измерений.

2.3.3. Выводы к разделу.

2.4. Экспериментальные установки. Используемые твердые частицы. Режимы.

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

2.4.2. Экспериментальная установка для изучения нисходящих сильнозапыленных потоков на основе PIV-метода.

2.4.3. Параметры гетерогенного потока, варьируемые в экспериментальном исследовании.

2.4.4. Особенности моделирования потоков с частицами.

2.4.5. Используемые твердые частицы.

2.4.6. Концентрация частиц.

2.4.7. Экспериментальные режимы.

2.5. Выводы к главе.

Глава 3. Исследование столкновений «частица»- «частица».

3.1. Предварительные замечания.

3.2. Введение.V:.

3.3. Теоретическая оценка интенсивности столкновений частиц.

3.4. Результаты исследования.

3.4.1. Гравитационное осаждение. Режим №1.

3.4.2. Нисходящее течение. Режим №2.

3.5. Выводы к главе.

Глава 4. Исследование столкновений «частица»- «стенка».

4.1. Предварительные замечания.

4.2. Введение.

4.3. Теоретическая оценка интенсивности столкновений частиц со стенками канала.

4.4. Результаты исследования.

4.4.1. Гравитационное осаждение. Режим №3.

4.4.2. Нисходящее течение. Режим №4.

4.5. Выводы к главе.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование поведения твердых частиц в сильнозапыленных потоках»

Распространение потоков газа с частицами в природе и их широкое применение во многих промышленных процессах, теплоэнергетических установках различного назначения и химических технологиях способствовало проведению интенсивных исследований такого рода течений. Здесь следует отметить работы Г.Н. Абрамовича, А.Ю. Вараксина, З.Р. Горбиса, И.В. Деревича, Л.И. Зайчика, Ю.В. Зуева, М.К. Лаатса, И.А. Лепешинского, Е.П. Медникова, Д.С. Михатулина, Р.И. Нигматулина, А.Н. Осипцова, Ю.В. Полежаева, Н.А. Фукса, А.А. Шрайбера, Р. Бусройда, М. Зоммерфельда, К. Кроу, М. Рикса, О. Симонина, С. Coy, Ю. Тсуджи, Г. Хецрони, И. Хинце, С. Эльхобаши и др.

К настоящему времени накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал, посвященный самым различным аспектам газодинамики и теплофизики такого' рода потоков. Здесь можно отметить большое число основополагающих [1-12] и в том числе современных [13-18]' обобщающих работ российских и зарубежных исследователей, некоторые из которых представлены в списке литературы.

Интенсификация процессов тепло- и массообмена в каналах теплообменных аппаратов и различных энергетических устройств является одной из актуальных задач современной теплофизики. Многочисленные исследования показывают, что присутствие дисперсной фазы в газовом потоке даже при незначительной концентрации может приводить к существенному изменению параметров течения и оказывать сильное влияние на гидродинамические, тепломассообменные, эрозионно-коррозионные процессы и, как следствие, на надежность и эффективность энергетического оборудования. Гидродинамические и тепломассообменные процессы в значительной мере определяют эффективность преобразования энергии в различных энергетических установках. При проектировании теплоэнергетического оборудования зачастую приходится иметь дело с потоками газа в присутствии твердых частиц.

До настоящего времени отмечается недостаточное количество экспериментальных работ, посвященных исследованию характеристик потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы. Это объясняется как сложностью построения моделей такого класса течения, так и немногочисленностью экспериментальных работ. Физическое моделирование сильноконцентрированного дисперсного потока, характеризующегося высокой оптической плотностью, представляет собой- крайне сложную проблему, так как сопряжено с целым рядом зачастую непреодолимых технических трудностей. Существующие экспериментальные данные относятся в - основном- числе к слабозапыленным типам потоков и не охватывают всего' разнообразия режимов и видов течений, которые могут 'Происходить в- потоках с высокой концентрацией частиц. Сильнозапыленные потоки газ-твердые частицы являются одним из наиболее сложных и недостаточно изученных видом течения. Вследствие этого получаемые достоверные экспериментальные данные по характеристикам сильнозапыленных потоков имеют большое значение.

Для анализа механизмов тепло- и массообменав потоках, содержащих частицы, необходима информация об особенностях поведения дисперсной фазы. Знание параметров движения частиц (прежде всего, их концентраций и скоростей) позволяет прогнозировать обратное влияние дисперсной фазы на распределения скоростей несущего газа, а также проводить оценки таких важных физических характеристик, как коэффициенты трения и теплоотдачи. В связи с этим корректное измерение характеристик частиц запыленного потока представляется актуальной задачей. В сильнозапыленных потоках с объемной концентрацией частиц Ф = 0(10 ) поведение частиц в дополнении к эффектам турбулентного переноса может значительно определяться процессами столкновительного взаимодействия между собой, а также со стенками канала. Изучение указанных столкновительных процессов является одной из важных задач современной физики течений с частицами.

Цель работы. Целью диссертационной работы является изучение характеристик движения дисперсной фазы в сильнозапыленных потоках при наличии интенсивных столкновительных взаимодействий. Для проведения комплексного изучения характеристик движения твердых частиц необходимо решение следующих основных задач:

1) определение возможности ■ и ограничений использования

J.».серийного лазерного доплеровского анемометра (ЛДА) для измерений мгновенных скоростей твердых частиц в сильнозапыленных потоках;

2) проведение экспериментальных исследований характеристик движения твердых частиц в сильнозапыленных потоках воздуха;

3) выявление физических параметров, определяющих характеристики движения дисперсной фазы при наличии столкновительных процессов вследствие концентрационной и геометрической стесненности.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) впервые проанализирован комплекс метрологических проблем, возникающих при использовании метода лазерной доплеровской анемометрии в сильнозапыленных потоках с крупными частицами;

2) разработана эффективная методика определения допустимых параметров сильнозапыленного потока, при которых возможно проведение ЛДА-измерений скоростей твердых частиц;

3) получены и обобщены новые экспериментальные данные по характеристикам движения твердых частиц стекла в нисходящем сильнозапыленном турбулентном потоке воздуха;

4) впервые проведены корректные измерения характеристик осаждения бидисперсной смеси частиц (частицы стекла и частицы железа) в неподвижном воздухе при изменении массовой концентрации смеси в широком диапазоне;

5) получены и обобщены экспериментальные данные по осредненным и пульсационным скоростям частиц стекла при их движении в гладкой и формованной лунками вертикальных трубах.

Достоверность представленных в диссертации результатов измерений и методики определения возможностей и ограничений использования ЛДА в сильнозапыленных потоках подтверждена разработанными методами контроля точности получаемых данных.

Практическое значение. Результаты изучения влияния параметров сильнозапыленного потока на характеристики доплеровского сигнала могут быть использованы для развития методов лазерной диагностики оптически плотных дисперсных сред. Развитая методика определения параметров течения, допускающих проведение корректных ЛДА-измерений скоростей твердых частиц, открывает большие возможности для расширения сфер технологического использования методов лазерной доплеровской анемометрии.

Результаты измерений характеристик движения частиц могут быть использованы при проектировании различных технических устройств -питателей и элементов пневмотранспорта сыпучих материалов, пылеуловителей различных типов, линий подготовки угля и порошковой металлургии, систем сушки в псевдоожиженном слое, топок с псевдоожиженным и циркулирующим кипящим слоем. В сильнозапыленных потоках реализуются высокие значения коэффициентов теплоотдачи, что делает их конкурентной альтернативой использующимся в настоящее время однофазным теплоносителям. В современной энергетике рассматривается возможность применения дисперсного твердого теплоносителя для первого контура безопасного высокотемпературного реактора АЭС.

Помимо этого изученные столкновительные процессы в значительной степени определяют скорость образования и выпадения атмосферных осадков и загрязнений, интенсивность эрозии поверхностей технологических устройств и объектов ракетно-космической техники.

Результаты измерений характеристик движения дисперсной фазы также могут быть использованы для развития и верификации математических моделей сильноконцентрированных дисперсных течений.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международном коллоквиуме «Interaction Phenomena in Turbulent Particle-Laden Flows» (Таллин, Эстония, 2003); 7-ой международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, Россия, 2003); 4-ом международном симпозиуме "Turbulence, Heat and Mass Transfer" (Анталия, Турция, 2003); 2-ом международном симпозиуме «Multiphase, Non-Newtonian and Reacting Flows» (Ханджоу, Китай, 2004); 11-ой конференции «Two-Phase Flow Predictions» (Мерзебург, Германия, 2005); 8-ой международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, Россия, 2005); 5-ом международном симпозиуме "Turbulence, Heat and Mass Transfer"

Дубровник, Хорватия, 2006); 9-ой Всероссийской школе-конференции молодых ученых (Новосибирск, Россия, 2006); 9-ой международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, Россия, 2007).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах, 4 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК.

На защиту выносятся:

1) Методика определения допустимых параметров сильнозапыленного потока, при которых возможно проведение корректных ЛДА-измерений скоростей твердых частиц.

2) Результаты экспериментального исследования поведения твердых частиц, движущихся в высококонцентрированных потоках газа в вертикальных каналах.

3) Результаты обобщения опытных данных с использованием безразмерных критериев на предмет установления интенсивности столкновительных взаимодействий.

Содержание работы.

Первая глава носит обзорный характер. Кратко приведены основные характеристики запыленных потоков. Рассмотрены расчетно-теоретические и экспериментальные работы, посвященные исследованию характеристик течений газа с твердыми частицами при наличии столкновительных взаимодействий. Из проведенного анализа работ сделан вывод о том, что достоверных экспериментальных данных недостаточно для создания новых и верификации имеющихся математических моделей сильнозапыленных течений.

Вторая глава посвящена особенностям использования метода лазерно-доплеровской анемометрии для измерений в сильнозапыленных потоках. Показаны методические особенности исследования потоков с крупными частицами. Рассмотрены возможности и ограничения использования ЛДА в сильнозапыленных потоках. Приведена разработанная автором методика определения допустимых параметров потока, при которых возможно измерение скоростей твердых частиц с помощью ЛДА.

Третья глава посвящена изучению влияния взаимодействия «частица-частица» на характеристики гетерогенного потока в вертикальных каналах. В начале главы описаны два основных подхода, использующиеся при анализе столкновений частиц: сферический и цилиндрический. Рассмотрены процессы столкновения частиц различных размеров и различной плотности при их гравитационном осаждении. Рассмотрены столкновения дисперсной фазы при наличии сдвига осредненной, скорости и действии силы тяжести. В конце главы приведены результаты экспериментальных исследований, демонстрирующие влияние межчастичных столкновений на характеристики движения гетерогенного потока.

В четвертой главе приведены результаты исследования влияния столкновений частиц со стенками канала на поведение дисперсной фазы. Приведены результаты экспериментального исследования, демонстрирующие влияние столкновений частиц со стенкой на характеристики движения гетерогенного потока в вертикальных каналах.

Автор выражает свою признательность чл.-корр. РАН Ю.В.Полежаеву, д.т.н. А.Ф.Полякову, д.ф.-м.н. А.Ю.Вараксину, к.ф.-м.н. Т.Ф. Иванову и М.Э. Ромашу за многолетнее постоянное внимание к работе и помощь, оказанную при ее выполнении.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Протасов, Михаил Витальевич

ВЫВОДЫ

1. Изучен комплекс метрологических проблем, возникающих при исследованиях сильнозапыленных потоков с использованием лазерных доплеровских анемометров (ЛДА). Проанализированы зависимости основных характеристик доплеровского сигнала (частота поступления данных, достоверность) от характеристик течения. Установлено, что в сильноконцентрированных дисперсных потоках с твердыми частицами блокирование лазерных пучков дисперсной фазой является основным фактором, ограничивающим возможность проведения ЛДА-измерений. Экспериментальным путем установлены параметры запыленного потока (толщина потока, размер частиц, объемная концентрация частиц), при которых возможно использование ЛДА.

2. Проведено экспериментальное исследование влияния межчастичных столкновений на поведение твердых частиц стекла 100 мкм при их осаждении в воздухе. Найдено граничное значение концентрации частиц (М ~ ОД), при, достижении которого межчастичные столкновения начинают оказывать влияние на поведение дисперсной фазы. Полученные данные обобщены с использованием безразмерного критерия - столкновительного числа Стокса Stkc Найдено минимальное значение указанного критерия (Stkc ~0Д), при котором начинается интенсивное взаимодействие полидисперсных и бидисперсных частиц.

3. Изучены особенности поведения твердых частиц стекла 200 мкм в условиях их интенсивного взаимодействия со стенками канала. Проведена оценка параметров гетерогенного потока, при которых стенка канала оказывает доминирующее влияние на характеристики движения частиц. Измерены распределения осредненных и пульсационных скоростей частиц стекла при их осаждении в гладкой и формованной лунками узких трубах. Выявлен эффект снижения (около 8%) осевой составляющей осредненной скорости частиц и существенный рост (до 3-х раз) пульсационной скорости частиц при их движении в трубе с лунками.