Экспериментальное исследование структуры турбулентных двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат наук Евсеев, Алексей Романович

• Евсеев, Алексей Романович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Евсеев, Алексей Романович

СОДЕРЖАНИЕ

18

18

21

46

97

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ С ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ. ДИАГНОСТИКА ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ

1.1 Основные режимы течения двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы

1.2 Классификация и основные характеристики двухфазных потоков

1.3 Основы математического моделирования турбулентных двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы

1.4 Экспериментальная диагностика двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы Результаты Главы 1 71 Список использованных источников в Главе 1 72 Рисунки к Главе 1 91 Глава 2. РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК В ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКАХ С ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗОЙ

2.1 Разработка методики измерения локальных характеристик турбулентного фильтрационного потока с помощью метода 97 оптической однородности и ЛДА «ЛАДО-2»

2.2 Разработка методики измерения локальных характеристик в кипящем и циркулирующем кипящем слое с помощью волоконно- 102 оптических датчиков

2.2.1 Волоконные световоды

2.2.2 Разработка методики измерения концентрации пузырей в кипящем слое с помощью двухволоконного датчика отражательного 104 типа

2.2.3 Разработка методики измерения скорости и концентрации частиц в кипящем и циркулирующем кипящем слое с помощью лазерного доплеровского трехволоконного анемометра дифференциального типа

2.2.4 Калибровочные измерения скорости и концентрации частиц с помощью волоконно-оптического датчика ЛДВА-3 с 112 ячейкой Брэгга

2.3 Разработка методики измерения скорости и концентрации газовой фазы в газожидкостных потоках с помощью одноволоконного ЛДА

2.3.1 Принцип действия и тестовые измерения скорости всплытия пузырьков с применением двух методов: одноволоконным 114 датчиком ЛДВА-1 и стандартным ЛДА

2.3.2 Тестовые измерения скорости движения межфазных

121

границ в вертикальной трубе с помощью двух методов: датчиком ЛДВА-1 и методом двух экспозиций

2.3.3 Тестовые измерения концентрации газовой фазы в газожидкостном потоке в вертикальной трубе двумя методами: 120 датчиком ЛДВА-1 и датчиком электропроводности

2.4 Разработка методики измерения толщины пленки жидкости с помощью ЛДВА-1 и модифицированного двухволоконного датчика

2.4.1 Статические, угловые и динамические калибровки двухволоконного модифицированного датчика

2.4.2 Применение двухволоконного модифицированного датчика для измерения толщины пленки жидкости внутри 126 дистилляционной колонны

2.5 Трубка технического зрения (эндоскоп) для визуальных исследований и измерений двухфазных потоков с высокой 129 концентрацией дисперсной фазы

Результаты Главы 2

Список использованных источников в Главе 2

Рисунки к Главе 2

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО РЕЖИМА ФИЛЬТРАЦИИ ЖИДКОСТИ В 151 РЕГУЛЯРНЫХ УПАКОВКАХ ШАРОВ

3.1 Обзор предыдущих исследований

3.2 Экспериментальное исследование турбулентных характеристик фильтрационного потока в кубической упаковке шаров

3.3 Исследование турбулентных характеристик фильтрационного потока в пристенной кубической ячейке

3.4 Экспериментальное исследование турбулентных характеристик фильтрационного потока в октаэдрической шаровой ячейке Результаты Главы 3 177 Список использованных источников в Главе 3 178 Рисунки к Главе 3 181 Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

В 2Б И ЗБ АППАРАТАХ КИПЯЩЕГО И ЦИРКУЛИРУЮЩЕГО КИПЯЩЕГО СЛОЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

4.1 Введение. Преимущества и недостатки технологий кипящего и циркулирующего кипящего слоя

4.2 Исследование распределения концентрации пузырей в 20 и ЗЭ аппаратах с кипящим слоем

4.3 Измерение характеристик скорости движения дисперсной фазы на оси в 30 аппарате с кипящим слоем

4.4 Комплексные исследования потоков «газ - твердые частицы» в крупномасштабном аппарате ЦКС ВТИ 4.5. Измерение профилей скорости и концентрации частиц в

163 169

195

195 201 203

232

245

крупномасштабном аппарате с циркулирующим кипящим слоем 4.6. Особенности пристенной гидродинамики и теплообмена в ЦКС 212 Результаты Главы 4

Список использованных источников в Главе 4

Рисунки к Главе 4

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ГРАВИТАЦИОННОЙ СТРУИ ПЕСКА, ВЫТЕКАЮЩЕЙ ИЗ 229 КОНУСА В НЕПОДВИЖНЫЙ ВОЗДУХ

5.1 Введение

5.2 Экспериментальная установка и методика измерений скорости и концентрации частиц песка в гравитационной струе с помощью ЛДА

5.3 Исследование распределений средних, пульсационных и спектральных характеристик движения частиц песка в 234 гравитационной струе, вытекающей из конуса

Результаты Главы 5

Список использованных источников в Главе 5

Рисунки к Главе 5

Глава 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СНИЖЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОГО ТРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ГАЗОНАСЫЩЕНИЯ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ И ЕГО СВЯЗИ С ПРОФИЛЕМ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА

6.1 Обзор предыдущих исследований

6.2 Влияние газонасыщения на снижение локального трения и пульсационного давления в турбулентном пограничном слое на 255 пластине

6.3 Снижение трения при газонасыщении турбулентного потока в трубе. Измерение профилей скорости жидкости и концентрации 259 газовой фазы

6.4 Экспериментальное исследование влияния гравитационной ориентации стенки на снижение турбулентного трения при 263 газонасыщении пограничного слоя во входном участке канала

6.4.1 Снижение турбулентного трения с помощью газонасыщении пограничного слоя на верхней и нижней стенках 263 канала

6.4.2 Профили концентрации газа в турбулентном пограничном слое с газонасыщением на верхней и нижней стенках канала

6.5 О механизмах снижения турбулентного трения при газонасыщении пограничного слоя Результаты Главы 6 273 Список использованных источников в Главе 6 274 Рисунки к Главе 6 280 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

268

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование структуры турбулентных двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Течения газа или жидкости, несущие твердые частицы или пузырьки, широко распространены в природе и в современных технологиях. Эффективность тепломассообменных процессов в энергетике (включая атомные реакторы с шаровыми твэлами, котлы с кипящим и циркулирующим кипящим слоем), каталитической химии, нефтехимической, газовой, металлургической и других отраслях промышленности, определяется явлениями, происходящими в двухфазных потоках с высокой концентрацией дисперсной фазы. Интенсификация процессов, прежде всего, в энергетических устройствах и аппаратах является актуальной задачей.

Увеличение концентрации дисперсной фазы в потоке приводит к существенному изменению его характеристик, которые влияют на эффективность и надежность работы оборудования. Для проектирования современных технологических объектов необходимо создание и совершенствование методов расчета двухфазных дисперсных потоков, которые могут учитывать взаимодействие частиц с турбулентностью, коагуляцию и разрушения при столкновениях частиц друг с другом и со стенкой, фазовые переходы и другие физические процессы, с целью оптимизации процессов.

Ввиду сложности явлений теоретические методы расчета разрабатываются с привлечением эмпирической информации к конкретным режимам течения гетерогенной системы, и установлению характерных границ между различными структурными режимами течения смеси. Информация о скорости движения частиц и их концентрации необходима для анализа механизмов тепломассообменных процессов, влияния дисперсной фазы на турбулентность непрерывной фазы и т.д., поэтому исследования локальной гидродинамики в высококонцентрированных дисперсных потоках является актуальной задачей.

Экспериментальное исследование таких течений связано со значительными трудностями, так как необходимо разрабатывать и применять новые методы измерения, поскольку высококонцентрированные дисперсные системы, в основном, оптически не прозрачны, и применение оптических методов (ЛДА, Р1У, РТУ и др.) сильно ограничено или невозможно.

Настоящее исследование посвящено физическому моделированию двухфазных высококонцентрированных дисперсных потоков и измерению локальных характеристик с применением ЛДА, специально разработанных волоконно-оптических датчиков и метода оптической однородности.

Целью работы является экспериментальное исследование влияния объемной (массовой) концентрации дисперсной фазы на локальную гидродинамику: при турбулентном режиме фильтрации жидкости в регулярных упаковках шаров; в 2Б и ЗЭ аппаратах кипящего и циркулирующего кипящего слоя; в гравитационной струе песка, вытекающей из конуса; при газонасыщении турбулентного пограничного слоя.

Основные задачи

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 1. Для изучения основных закономерностей локальной гидродинамики турбулентного фильтрационного потока внутри пор, включая пограничные слои на стенках шаров и канала, выполнен комплекс исследований процесса турбулентной фильтрации жидкости в диапазоне чисел Рейнольдса от 1000 до 20000; разработан экспериментальный стенд с рабочей частью, в которой созданы кубическая (самая рыхлая) и октаэдрическая (самая плотная) упаковки шаров; разработана методика измерений средних, пульсационных и спектральных характеристик турбулентного фильтрационного потока с применением метода оптической однородности и ЛДА; разработана новая иммерсионная жидкость на основе йодистого и роданистого аммония.

2. Разработаны одно - двух - трехволоконные датчики, методики калибровки и измерения концентрации пузырей в аппаратах кипящего слоя (КС), скорости и концентрации частиц в циркулирующем кипящем слое (ИКС), концентрации газа в газожидкостных потоках; выполнены исследования и получены данные по распределению концентрации пузырей в 2Т> и ЗО аппаратах кипящего слоя, скорости и концентрации частиц в крупномасштабном аппарате ЦКС в широком диапазоне режимных параметров.

3. Экспериментально изучены и проанализированы закономерности движения частиц песка в гравитационной струе, вытекающей из конуса в неподвижном воздухе; разработан экспериментальный стенд и методика измерения скорости и массовой концентрации частиц в гравитационной струе песка с применением ЛДА и метода амплитудной дискриминации; получены данные по распределению концентрации частиц, средних, пульсационных и спектральных характеристик скорости движения частиц песка.

4. Экспериментально изучены и проанализированы закономерности снижения турбулентного трения с помощью пузырькового метода при вдуве газа через проницаемую стенку. Разработаны плоская модель с пористой стенкой, экспериментальный стенд с горизонтальной рабочей частью и пористой вставкой для газонасыщения турбулентного потока; разработаны методики измерения локальных характеристик турбулентного пограничного слоя (ТПС) с газонасыщеним: локального трения, пульсаций трения и давления на стенке, профиля концентрации газа в ТПС, профиля скорости жидкости в непосредственной близости от стенки трубы. Выполнены комплексные исследования эффекта снижения турбулентного трения с помощью газонасыщения на пластине, на нижней стенке горизонтальной трубы, на нижней и верхней стенках во входном участке канала.

Научная новизна исследований

• Разработаны и реализованы новые подходы к диагностике двухфазных турбулентных потоков при высоких концентрациях дисперсной фазы с применением метода оптической однородности, ЛДА и волоконно-оптических датчиков, разработана новая иммерсионная жидкость.

• Впервые выполнен цикл экспериментальных исследований по визуализации и измерению средних, пульсационных и спектральных характеристик скорости жидкости в проточной части регулярных упаковок шаров в турбулентном режиме фильтрации, и проведен анализ основных закономерностей потока. На их основе предложены физические модели процессов турбулентной фильтрации в кубической и октаэдрической упаковках, ключевыми элементами которых являются геометрия проточной части и точки контакта шаров.

Показано, что отрыв турбулентного пограничного слоя от стенок при струйном обтекании шаров в кубической ячейке затягивается до ~ 130- 135°, а его присоединение происходит при угле ~ 30 - 35° на следующем по потоку слое шаров; внутри области отрыва и присоединения турбулентного пограничного слоя (в зоне теневых точек контакта шаров) наблюдается вихревая область рециркуляционного типа. Проведено исследование характеристик турбулентного пограничного слоя на шаре, вихревого рециркуляционного движения, и показано, что отрыва вихрей не происходит. Установлено, что структуры потока в центральной и пристенной ячейках кубической формы идентичны, за исключением зоны (~1 мм) пограничного слоя на стенке канала.

Показано, что в отличие от кубической упаковки (фр=0.524) профиль средней скорости в минимальном сечении октаэдрической ячейки (фр=0.74) имеет два максимума, а степень турбулентности жидкости в струйных зонах почти в два раза выше, чем в кубической ячейке при одинаковых числах Рейнольдса.

• Получены данные по профилям скорости и концентрации дисперсной фазы в крупномасштабном аппарате с циркулирующим кипящим слоем при псевдоожижении частиц воздухом. Показано, что профиль скоростей частиц в центральной области ЦКС имеет форму близкую к параболической (частицы движутся вверх) с положительным максимумом на оси аппарата. В пристенной зоне ЦКС (~ 20% поперечного сечения) частицы движутся вниз, отрицательный максимум скорости расположен на некотором расстоянии от стенки, а по величине он составляет примерно третью часть от максимальной скорости.

Показано, что концентрация частиц в центральной области ЦКС минимальна; она плавно растет при движении к стенке; в пристенной зоне концентрация резко увеличивается до максимума, а у самой стенки она в 2-3 раза меньше максимума в зависимости от режимных параметров. Установлено, что при увеличении скорости циркуляции концентрация частиц в пристенной зоне растет значительно больше, чем в ядре потока.

• Экспериментально изучены и проанализированы закономерности движения частиц песка в гравитационной струе, вытекающей из конуса в неподвижном воздухе. Установлено, что скорость движения частиц на оси гравитационной струи близка к зависимости ио=(2§Ь)05 (идеальная жидкость), а концентрация частиц на оси струи уменьшается экспоненциально. Впервые показано, что спектр пульсаций скорости частиц на оси струи в диапазоне волновых чисел 10>К>100 изменяется в

К-5/3 V

, характерной для изотропных

турбулентных течений.

© Экспериментально изучены и проанализированы закономерности снижения турбулентного трения с помощью пузырькового метода при вдуве газа через проницаемую стенку. Впервые проведены комплексные исследования локальных характеристик турбулентного пограничного слоя с газонасыщением и снижением трения до 80%. Установлено, что ключевым параметром для снижения трения с помощью пузырькового метода является

концентрация газа в пристенной (буферной) зоне; при увеличении расхода газа концентрация вблизи стенки достигает максимума (70-80%, У/5—0.1), но в вязком подслое она близка к нулю. Впервые показано, что снижение локального трения связано с уменьшением градиента средней скорости жидкости, уменьшением интенсивности пульсаций трения и давления на стенке. Предложен механизм снижения трения для пузырькового метода, который связан с уменьшением плотности смеси около стенки, увеличением ее эффективной вязкости, а также модификацией турбулентности при взаимодействии пузырей с вихревой пеленой во внутренней области пограничного слоя.

Достоверность

Достоверность результатов исследований основывается на применении в экспериментах универсального отработанного метода ЛДА, анализе погрешности измерений; данными тестовых экспериментов по эталонным объектам с известными параметрами; повторяемостью и согласованностью результатов измерений, проведенных в разное время, на различных гидродинамических установках и разными методами; сравнением с известными экспериментальными и теоретическими результатами; и подтверждается цитируемостью в публикациях в ведущих научных журналах, обзорах и монографиях.

Практическая значимость работы

Результаты исследований закономерностей турбулентных двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы могут быть использованы при разработке физических моделей, оптимизации течений в различных технологических установках, создании и тестировании новых методов расчета.

Новые данные по полям скоростей в регулярных шаровых укладках при больших числах Рейнольдса могут быть использованы при разработке компактных теплообменников, атомных реакторов на шаровых твэлах, при проектировании нефтяных и газовых скважин и др.

Новые данные по полям скоростей и концентраций частиц могут быть использованы в Всероссийском теплотехническом институте (ВТИ, г. Москва) при проектировании котлов с циркулирующим кипящим слоем.

Лазерные волоконно - оптические системы могут применяться для исследований двухфазных потоков (включая криогенные эксперименты) в: ИК СО РАН, ИТ СО РАН, ИЛФ СО РАН и др.

Результаты комплексного исследования турбулентного пограничного слоя с газонасыщением могут быть использованы для снижения гидродинамического трения на судах и подводных объектах. На защиту выносятся:

- разработанные автором методики экспериментального исследования турбулентных двухфазных потоков при высокой концентрации дисперсной фазы с применением метода оптической однородности, ЛДА и волоконно-оптических датчиков;

- результаты экспериментального исследования средних, пульсационных и спектральных характеристик скорости жидкости, а также физические модели процессов турбулентной фильтрации в кубической и октаэдрической упаковках шаров;

- результаты экспериментального исследования локальных характеристик в кипящем и циркулирующим кипящем слое: распределение объемной концентрации пузырей в 2D и 3D аппаратах кипящего слоя, профили скорости и концентрации частиц в ЦКС;

- результаты экспериментального исследования локальных характеристик гравитационного движения дисперсного материала в струе, вытекающей из конуса: профили средней скорости, RMS пульсаций и концентрации частиц, спектральные характеристики пульсаций скорости частиц;

- результаты экспериментального исследования снижения локального трения, пульсаций трения и давления на стенке, профили скорости жидкости и концентрации газовой фазы в турбулентном пограничном слое с

микропузырьками газа, зависимость снижения трения от концентрации газа в непосредственной близости от стенки.

Личный вклад автора заключается в следующем:

- постановка проблем, способы их решения и представленные научные результаты принадлежат автору;

- представленные в работе основные результаты в виде сформулированных защищаемых положений, научной новизны и выводов получены и обоснованы лично автором;

- автору принадлежит разработка методик экспериментов, конструкций экспериментальных установок, организация и проведение экспериментов, а также анализ и обобщение собственных и известных литературных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и представлялись на: XVIII Теплофизическом семинаре (Новосибирск, 1974), Крыловских чтениях (Ленинград, 1975), Second Intern. Conf. On Drag Reduction (Cambridge, 1977), Всесоюзном совещании «Лазерная анемометрия и ее применение» (Новосибирск, 1980), II и IV Всесоюзном совещании «Экспериментальные методы и аппаратура для исследования турбулентности» (Новосибирск, 1976 и 1981), 1 Всесоюзном семинаре «Оптические методы исследования потоков» (Новосибирск, 1989), 5th World Filtration Congress (Nice, France, 1990), Всесоюзном семинаре «Измерения в потоках. Методы, аппаратура и применение» (Москва, 1990), 4th Int. Conf. on Laser Anemometry, Cleveland, 1991), Всесоюзном совещании «Средства м системы автоматического контроля и управления технологическими процессами» (Свердловск, 1991), 2-й совместный по СНГ семинар «Гидродинамическая устойчивость и турбулентность» (Алма-Ата, 1992), II Межреспубликанской конференции «Оптические методы исследования потоков» (Новосибирск, 1993), , 4th Symp. on Multiphase Transport in Porous Media, ASME Winter Annual Meeting (NewOrleans, 1993), III межгос. науч. конф. «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 1995), 7th World

Filtration Congress (Budapest, 1996), Int. Symp. On the Physics of Heat Transfer in Boiling and Condensation (Moscow, 1997), 7th Int. Conf. Laser Anemometry. Advances and Application (Karlsruhe, 1997), 10th European Drag Reduction Working Meeting (Berlin, 1997), 2th and 3th Int. Conf. on Fluid Dynamic Measurement and Its Application (Beijing, 1994 and 1997), 5th Conf. On Engineering in the Chemical Industry (Budapest, 1999), 11th European Drag Reduction Working Meeting (Prague, 1999), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы использования Канско-Ачинских углей» (Красноярск, 2000 г.); 16th Int. FCB Conference (USA, 2001), VI межд. конф. «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2001), XXVIII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2005), European Drag Reduction Working Meeting (Киев, 2010), Int. Conf. Materials, Methods & Technologies (MMT-14, Болгария, 2012); VIII Всероссийская конференция «Горение твердого топлива-2012» (Новосибирск, 2012); и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 70 работ, в том числе 16 работ в журналах из списка ВАК, два авторских свидетельства и 10 патентов на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 299 страницах машинописного текста, содержащих 114 рисунков и 4 таблицы, а также списка цитируемой литературы из 431 наименования.

Во введении сформулированы цели работы, обоснована актуальность темы исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные положения, выносимые на защиту. Приведена структура диссертации и краткая аннотация ее глав.

Первая глава носит обзорный характер. В ней рассматривается современное состояние исследований двухфазных турбулентных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы. Большое разнообразие свойств и концентраций частиц существенно осложняет картину турбулентного течения, что приводит к реализации различных режимов и классов

гетерогенных потоков. Внутри классов в зависимости от физических свойств частиц и их объемной (массовой) концентрации реализуются различные режимы движения двухфазных потоков в технологических аппаратах.

Турбулентные двухфазные потоки имеют специфические характеристики, определяющие их основные свойства: физические свойства частиц, их размер (диаметр) с1р и плотность рр, концентрацию, скорость витания частиц, инерционные свойства частиц (числа Стокса), времена релаксации и др.

Экспериментальное исследование двухфазных потоков при высоких концентрациях дисперсной фазы затруднено из-за оптической непрозрачности, за исключением случая оптической однородности потока с одинаковыми коэффициентами преломления обеих фаз.

Волоконно-оптические датчики, датчики электрического импеданса, изокинетические зонды и др. возмущают исследуемый двухфазный поток, требуют калибровки и введения поправок. Но они относительно просты в эксперименте и не требуют значительных затрат.

Томографические методы, основанные на различных проникающих излучениях и ЯМР, дороги и сложны в применении, но помогают в понимании многих сложных явлений в потоках с высокой концентрацией дисперсной фазы.

Глава 2 посвящена разработке оптических методов исследования локальных характеристик в двухфазных потоках с высокой концентрацией дисперсной фазы. Разработана методика измерения локальных характеристик турбулентного фильтрационного потока с помощью комбинированного метода оптической однородности и ЛДА «ЛАДО-2». Создана новая иммерсионная жидкость.

Разработана методика измерения (с погрешностью 10%) скорости, концентрации частиц и пузырей в кипящем и циркулирующем кипящем слое с помощью двух и трех волоконных датчиков. Проведен анализ работы

датчиков и определены основные систематические ошибки измерения, разработана оригинальная конструкция датчика.

Разработана методика измерения скорости и концентрации газовой фазы в газожидкостных потоках с помощью одноволоконного ЛДА (с погрешностью 10%), разработана конструкция датчика.

Разработана методика измерения толщины пленки жидкости с помощью двухволоконного модифицированного датчика отражательного типа с погрешностью 10%, разработана конструкция датчика. Область применения: измерения на натурных объектах, в местах трудного доступа и в криогенных жидкостях. Проведены статические, динамические и угловые калибровки датчика.

Разработана новая трубка технического зрения (эндоскоп) для визуальных исследований дисперсных потоков и трудно доступных мест.

Глава 3 посвящена экспериментальному исследованию турбулентного режима фильтрации жидкости в регулярных упаковках шаров. Впервые исследована структура турбулентного фильтрационного потока в «самой рыхлой» кубической упаковке и «самой плотной» октаэдрической упаковке шаров, в которых наблюдается сложное пространственное течение, ключевыми элементами которого являются геометрия проточной части упакованного слоя и точки контакта шаров.

Представлена физическая модель турбулентного фильтрационного потока в кубической упаковке, которая включает: струйную зону в центре ячейки, отрывную (вихревую) зону в области теневой точки контакта, и зоны возвратного течения, направленные к боковым точкам контакта шаров. Проведено визуальное исследование и измерение средних, пульсационных и спектральных характеристик указанных зон.

Представлена физическая модель турбулентного фильтрационного потока в октаэдрической упаковке: турбулентная струя, сформированная в минимальном сечении ячейки, натекает на блокирующий шар и разделяется на четыре струйки, которые снова сливаются в одну струю ниже по потоку.

Малые локальные зоны отрыва и присоединения турбулентного пограничного слоя расположены за точками контакта шаров (отрывные явления сильно подавлены). Проведено визуальное исследование и измерение средних, пульсационных и спектральных характеристик указанных зон.

Показаны отличия потока в октаэдрической и кубической ячейках: неравномерный профиль продольной скорости с минимумом на оси симметрии ячейки и локальными максимумами, смещенными к точкам контакта шаров, высокий средний уровень пульсации всех трех компонент вектора скорости, отрицательный знак поперечной компоненты вектора скорости.

Глава 4 посвящена экспериментальному исследованию локальных характеристик в 2В и ЗБ аппаратах кипящего и циркулирующего кипящего слоя с применением волоконно-оптических датчиков. Исследованы структуры турбулентных двухфазных потоков «газ-твердые частицы» в кипящем и циркулирующем кипящем слое с применением волоконно-оптических датчиков.

Получены распределения концентрации пузырей, которые и определяют качество псевдоожижения в аппарате. Концентрация пузырей по высоте КС увеличивается пропорционально росту избыточной скорости газа

(и-итф.

Показано, что профиль скоростей частиц в центральной области ЦКС имеет форму близкую к параболической с максимумом на оси аппарата, частицы движутся вверх. В пристенной зоне ЦКС (г/Я~0.8-1.0) частицы движутся вниз, максимум скорости расположен в середине зоны, а по величине он составляет -35% от максимальной скорости.

Показано, что максимум концентрации частиц находится в средней части пристенной зоны. В центральной области ЦКС концентрация частиц минимальна. Установлена взаимосвязь концентрации частиц в пристенной

зоне со средней концентрацией частиц в сечении ЦКС и их влияние на коэффициент теплообмена.

Глава 5 посвящена экспериментальному исследованию гидродинамики гравитационной струи песка, вытекающей из конуса. Показано, что скорость движения частиц на оси гравитационной струи близка к зависимости Uo=(2gh)° 3, а массовая концентрация частиц в сечении струи при увеличении высоты уменьшается экспоненциально.

Показано, что профиль скоростей движения частиц в поперечном сечении гравитационной струи изменяется от почти равномерного (характерного для движущегося плотного слоя) до колоколообразного в дальней зоне струи (h/d =182), a RMS пульсаций продольной скорости частиц распределены почти равномерно.

Спектр пульсаций скорости частиц на оси струи в диапазоне волновых чисел 10>К>100 изменяется в соответствии с зависимостью К°/3, характерной для изотропных турбулентных течений.

Глава 6 посвящена экспериментальному исследованию снижения турбулентного трения с помощью газонасыщения пограничного слоя. Впервые проведены комплексные измерения структуры ТПС с введением газа через пористую стенку и снижением трения до 80%.

Впервые показано, что снижение локального трения связано с уменьшением градиента средней скорости на стенке, уменьшением интенсивности пульсаций трения и давления на стенке.

Впервые проведены измерения профилей концентрации и показано, что при увеличении расхода газа максимальная концентрация вблизи стенки достигает 70-80%) (Y/5-0.1), но в вязком подслое концентрация газа близка к нулю.

Увеличение концентрации в пристенной зоне приводит к интенсивной коалесценции пузырьков, в результате которой течение в двухфазном пограничном слое переходит в пленочно-пузырьковый режим с характерным усилением эффекта плавучести газовой фазы (особенно при низких

скоростях потока), определяя разную структуру потока около верхней и нижней стенок.

Показано, что ключевым параметром для снижения трения с помощью пузырькового метода является концентрация газовой фазы в пристенной (буферной) зоне безградиентного турбулентного пограничного слоя, величина которой определяется расходом газа, скоростью жидкости, расстоянием вниз по потоку за газогенератором и гравитационной ориентацией стенки. Механизм снижения трения для пузырькового метода (18<с1+<250) связан с уменьшением плотности смеси около стенки, увеличением ее эффективной вязкости, а также модификацией турбулентности при взаимодействии пузырей с вихревой пеленой во внутренней области пограничного слоя.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОДИНАМИКИ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ

ДВУХФАЗНЫХ ДИСПЕРСНЫХ ПОТОКОВ

1.1. Классификация и основные режимы течения двухфазных дисперсных потоков

Двухфазными будем считать гетерогенные системы, состоящие из непрерывной дисперсионной среды (газ или жидкость) и дискретной дисперсной фазы, отделенных друг от друга развитой поверхностью раздела. В нашем случае фаза относится к твердому или газообразному состоянию вещества. В дальнейшем будут рассматриваться высококонцентрированные двухфазные дисперсные потоки со структурно свободными твердыми частицами (с!р) в газе (жидкости) и пузырьками воздуха (с1ь) в жидкости.

Большое разнообразие свойств и концентраций частиц существенно осложняет картину турбулентного течения, что приводит к реализации различных режимов и классов гетерогенных потоков. В общем виде

совместное движение жидкости и частиц можно разбить на несколько основных классов:

Фильтрация: в плотноупакованном слое частицы неподвижны, а жидкость фильтруется между ними.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Евсеев, Алексей Романович, 2013 год

Список использованных источников в главе 5

1. Durst, F., 1982, Combined measurements of particle velocities, size distributions and concentration, J. Fluid. Mech., v. 104, p. 284-296.

2. Lee, S.L. and Durst, F., 1982, On the Motion of Particles in Turbulent Duct Flows, Int. J. Multiphase Flow, v. 8, No. 2, p. 125-146.

3. Modarress, D., Tan, H., Elghobashi, S., 1984, Two-Component LDA Measurement in a Two-Phase Turbulent Jet, AIAA J., 22, p. 624-630.

4. Shuen, J.-S., Solomon, A.S.P., Zhang, Q-P., Faeth, G.M., 1984, Structure of particle laden jets: measurements and predictions, AIAA J., v. 3, p. 396-404.

5. Tsuji, Y., Morikama, Y., Tanaka, T. et al., 1988, Measurement of an axisymmetric jet laden with coarse particles, Int. J. Multiphase Flow, 14(5), p. 565-574.

6. Abramovich, 1970, G.N., An influence of solid particles or drops admixture on the turbulent jet structure, Dok. Akad. Nauk SSSR, 190 (5), p. 1052.

7. Girshovich, T.A., Kartushinskii, A.I., Laats, M.K., Leonov, V.A., and. Mul'gi, A.S., 1981, Experimental Investigation of a Turbulent Jet Carrying Heavy Particles of a Disperse Phase, Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No.5, p. 26-31.

8. Hetsroni, G. and Sokolov, M., 1971, Distribution of Mass, Velocity, and Intensity of Turbulence in a Two-Phase Turbulent Jet, J. of Appl. Mech., v. 38, p. 315-327.

9. Laats, M.K., 1966, Experimental Study of the Dynamics of an Air-Duct Jet, Inzhenerno-Fizicheskii Zhurnal, v. 10, p. 11-15.

10. Barlow, R.S., and Morrison, C.Q., 1990, Two-phase velocity measurements in dense particle-laden jets, Experiments in Fluids, 9, p. 93-104.

11. Elghobashi, S., Abou-Arab, T., Rizk, M., Moltafa, A., 1984, Prediction of the particle-laden jet with a two-equation turbulence model, Int. J. of Multiphase Flow, v. 10, p. 697 -710.

12. Fleckhaus, D., Hisida, K. and Maeda, M., 1987, Effect of laden solid particle on the turbulent flow structure of a round free jet, Exp. Fluids, 5, p. 323- 333.

13. Sheen, J.-S., Chen, L-D., and Faeth, G.M., 1983, Evolution of a stochastic model of particle dispersion in a turbulent round jet, AIChE J., 29, p. 167-1 70.

14. Терехов В.И., Пахомов M.A., 2011, Влияние частиц на структуру течения и дисперсию примеси в двухфазной осесимметричной струе, ЖТФ, т. 81, вып. 10, с. 27-35.

15. Генералов М.Б. Механика твердых дисперсных сред в процессах химической технологии. Калуга, изд. Н.Бочкаревой, 2002, 590 с.

16. Протасов М.В., Вараксин А.Ю., Иванов Т.Ф., Поляков А.Ф. Анализ возможности использования лазерного доплеровского анемометра для исследования сильнозапыленных потоков. ТВТ, 2006,т. 60, №3, с. 146-153.

17. Вараксин А.Ю., 2008, Столкновения в потоках газа с твердыми частицами, М., Физматлит, 312 с.

18. Rausch I.M., Gravity flow of solid beds in vertical towers, Ph. D. thesis, Princeton Univ., USA, 1948.

19. Belousov, P.Ya., Dubnischev, Yu.N., Meledin, V.G., An optical velocimeter on the basis of a semiconductor laser, Proceedings of the Int. Conf. on Fluid Dynamic Measurement and Its Application, October, 1989, Beijing, China., p. 503-507.

20. Титков В.И., Томсонс Я.Я. Следящий приемник доплеровского сигнала. В кН.: Оптические методы исследований газовых потоков: Материалы II Всесоюзной конф. по методам аэрофиз. исследований, 28.05-01.06.1979, Минск, с. 26-28.

21. Modarress, D., Tan, Н., 1983, LDA signal discrimination in two-phase flows, Exp. Fluids, l,p. 129-134.

22. Вараксин А.Ю., Полежаев Ю.В., Поляков А.Ф., 1996, Эффективность амплитудной селекции сигналов при исследовании гетерогенных потоков с использованием ЛДА, Измерительная техника, № 6, с. 47.

23. Вараксин А.Ю., Иванов Т.Ф., Поляков А.Ф., 2001, Использование лазерного доплеровского анемометра для измерения относительной концентрации крупных частиц, Измерительная техника, № 8, с. 46.

Рисунки к главе 5

Рис. 5.1 а, б. Распределение частиц песка по размерам (а), и блок-схема установки и системы

измерения на основе однокомпонентного ЛДА (б).

Р, % 20 -I

/О -

пП

3,0 3,4

м/с

Рис. 5.2. Распределение плотности вероятности скорости частиц песка на оси

гравитационной струи (Ыс1=100).

О 50 100 150 200 И/с1

Рис. 5.3. Зависимость средней скорости движения частиц песка (Ио) на оси гравитационной

струи от безразмерной высот (Ь/<1).

М/Мо=^И/с1)

И/с!

Рис. 5.4. Зависимость относительной массовой концентрации частиц песка от безразмерной

высоты (ЬЛ1).

й/й0 1.0 - 0,8- V а

0,6

1 / 1 2 | 1 3 4 I /?/г

1,0- ДОтЯ зЦд®^

0,80,6- □ ^ ® йо о А □ и О д □ 6 в Ч О д □ о а

I / 1 2 1 1 3 4 1 5 1 Я/г

А Л "Л -ю, ❖ Л ^20,

® ъ '50, -70, ДЛ = 100, =

О Ц = 182.

Рис. 5.5 а, б. Распределение относительной осевой средней скорости частиц по сечению

струи в диапазоне (Ь/с1)=5-182.

С/Св

г, о - Л.

0,8 ~ 0,6 - А

0,4 ~ ° а 0А. о

0,2 ~ а А п а ^ А

1 1 1 2 1 3 4 Я/г

Рис. 5.6. Распределение относительной (счетной) концентрации частиц по сечению гравитационной струи в диапазоне (Ь/с1)=5-182 (обозначения как на рис. 5.5).

vü'Va

о О,/5

0,10-

0,05

А А А

ч Ч ч Ч Ч Ч

♦ ! ♦ ♦ •

010-

-!-i-г

г ъ и

Ф © ®

о, 05Цр;°

5 R/r &

А 0 a

-"T"

1 2

5 R/r

Рис. 5.7 а, б. Профили RMS пульсаций скорости частиц в поперечном сечении гравитационной струи в диапазоне (h/d)=5-182 (обозначения как на рис. 5.5).

Рис. 5.8. Нормированные спектры пульсационных скоростей частиц на оси гравитационной

струи (обозначения как на рис. 5.5).

Глава 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СНИЖЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОГО ТРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ГАЗОНАСЫЩЕНИЯ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ И ЕГО СВЯЗИ С ПРОФИЛЕМ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА

6.1 Обзор предыдущих исследований

Одной из основных проблем современной гидродинамики является снижение трения, обусловленного прилипанием жидкости к обтекаемой поверхности, и управление касательными напряжениями в турбулентном пограничном слое (ТПС). Для этих целей разрабатываются такие методы как использование риблетов, упруго-деформируемых покрытий, введение в ТПС полимеров, поверхностно-активных веществ, микропузырьков и др. Обзор публикаций можно найти в [1-5]. Однако применение микропузырьков является одним из наиболее эффективных и экономичных способов снижения трения в ТПС с минимальным экологическим воздействием на окружающую среду. С другой стороны, систематическое и управляемое изменение течения в пограничном слое, вызванное методами снижения трения, способствует лучшему пониманию физики турбулентного пограничного слоя непосредственно.

Идея уменьшения гидродинамического трения с помощью оттеснения потока жидкости от обтекаемой стенки воздушной прослойкой («газовой смазкой») впервые была высказана Фрудом в 1875 г., а первые опыты проведены Лавалем в 1882 г. Предполагалось, что при помощи вдува воздуха в пристенную часть потока окажется возможным существенно уменьшить трение воды, при этом многократный эффект уменьшения касательных напряжений на стенке будет обеспечен за счет «газовой смазки», то есть весьма малых вязкости и плотности воздуха в тонкой пленке, отделяющей воду от обтекаемой стенки. Теоретические исследования [6, 7], проведенные в рамках гомогенной модели газожидкостной смеси показали, что в турбулентном пограничном слое

с переменными плотностью и вязкостью эффект многократного снижения трения может быть получен.

Значительные успехи в снижении гидродинамического сопротивления на телах, движущихся в воде, путем распределенного вдува газа в пограничный слой через проницаемое покрытие впервые в мире были получены в 70х-80х годах прошлого столетия в Институте теплофизики СО РАН. Оптимизация метода позволила обеспечить уменьшение касательных напряжений до 80%-90%) на плоских пластинах и до 50%-60% на телах вращения при числах Рейнольдса по длине тела ~ 3-4Х107 [3, 8-16]. Были исследованы основные характеристики турбулентного пограничного слоя с газовыми пузырьками (локальное трение, пульсации трения и давления, профили концентрации газа поперек пограничного слоя) в зависимости от скорости потока и расхода газа. Разработаны эффективные оригинальные способы пузырькового газонасыщения пристенных потоков жидкости. Позднее подобные исследования были выполнены в США, Японии и других странах.

К настоящему времени накоплен обширный материал, посвященный различным аспектам пузырькового метода снижения турбулентного трения. Существенный вклад в исследование проблемы снижения турбулентного трения с помощью газонасыщения пограничного слоя внесли следующие ученые в СССР и России: Лойцянский , Федяевский , Мигиренко, Богдевич, Лебедев, Мальцев, Малюга, Новиков, Гузевский, Евсеев, Савченко и др.

За рубежом следует отметить: McCormic, Bhattacharyya, Madavan, Deutsch, Merkle, Castaño, Pal, Clark, Guin, Meng, Uhlman, Takahashi , Moriguchi, Kato, Kodama, Fontaine, Hassan, Sanders, Murai, Elbing, Jacob, Ceccio, Legner, Marie, Xu, Maxey, Kamiadakis, Ferrante, Elghobashi, Lu, Fernandez, Truggvason, Scudarnov, Lin, Kunz, Mohanarangama, Wu, et al.

Однако, основные физические механизмы, ответственные за снижение турбулентного трения еще полностью не изучены. Основные публикации по снижению турбулентного трения путем ввода микропузырьков в пограничный слой через проницаемую стенку приведены в Таблице 6.1.

Таблица 6.1

№ пп Авторы, дата публикации Параметры эксперимента DR max (%) dпop/Dпyз, скорость потока и м/с) Способ газонасыщения ТПС, методы измерений

1. McCormick. Bhattacharya. (1973) Тело вращения: L=0.915 м, 0=0.127 м 30 0ь=60 мкм, и=0.3-2.6 (м/с) Буксировка, электролиз (диаметр провода 70 мкм), сопротивление буксируемой модели

2. Мигиренко, Евсеев, ИТ СО АН СССР, (1974) Пластина 0.955x0.244x0.04 мв гидро.канале (plate-on-bottom) 8090 ¿пор=1 МКМ, и=4.76-10.9 (м/с) Пористое покрытие, локальное трение («плавающая» стенка), пульсации давления, концентрация газа

л j. Дубншцев, Евсеев, Соболев, Уткин, ИАиЭ СО АН СССР (1975) Гидро.канал: 0,03x0,04x4.0 м, S,lop=0.0240x0.250 м2, (plate-on-bottom) 40 ¿пор=3 мкм; и=8.3 (м/с) Пористое покрытие, ЛДА, концентрация газа, датчик касательных напряжений (термоанемометр).

4. Богдевич, Малюга ИТ СО АН СССР (1976) Гидро. лоток: 0,05x0,18x2.0 м, Snop=0.14x0.18 м, (plate-on-bottom) 80 ¿,юР= 1^50 мкм; и=2^6 (м/с) Пористое покрытие, 4 датчика «плавающая» стенка, концентрация газа

5. Мальцев JI. И. ИТ СО РАН (1995) Тело вращения: L=0.7 м, 0=0.07 м в вертикальном гидро. канале, горизонтальный гидро.канал 50; 80 и=10-15 м/с и=8 (м/с) Вдув газа через щель под щелевой вдув жидкости, полное сопротивление модели, 3 датчика «плавающая» стенка

6. Богдевич, Мальцев, Малюга, ИТ СО РАН (1998) Тело вращения: L=1.75 м, 0=0.175 м 6065 и=7.5-15.5 (м/с) Полное сопротивление буксируемой модели

7. Евсеев, Мальцев, Малюга ИТ СО РАН (2005) гидро.канал: SnoP=0.14x0.172 м (plate-on-top. plate-on-bottom) 80 dпop=20 мкм, и=3.6-11 (м/с) пористое покрытие, датчик «плавающая» стенка, концентрация газа (волоконный датчик)

8. Madavan, Merkle, Deutsch. Pen. State University, USA (1984, 1985) Гидро. канал: L=0.762x0.508x0.114 м3 (plate-on-top, plate-on-bottom) 80 апор=0.5; 100 мкм, и=4-20 (м/с) пористое покрытие, датчик «плавающая» стенка, ЬОА, датчики касательных напряжений, воздух, гелий и др.

9. Pal, Merkle, Deutsch, Pen.State University, USA (1988) Пластина:Е=1.1х0.305х 0.05 mj в канале 0=0.305 м (plate-on-top, plate-on-bottom). 80 <^мор=40 мкм, и=4-20 (м/с) Эь= 0.15-1.1 мм пористое покрытие, датчик «плавающая» стенка, датчик касательных

SIlop=0.076x0.051 м напряжений, фотографирование

10. Deutsch. Castano, Pen. State University, USA (1986) Тело вращения: L=0.632 м. 0=0.087 м в гидро.канале 80 dIIOp=5 мкм, U=4.6-16.8 (м/с) пористое покрытие, датчик «плавающая» стенка, воздух, гелий

11. Clark, Deutsch. Pensilvan. State University, USA (1991) Тело вращения: L=0.632 м, 0=0.087 м в гидро. канале с градиентом давления 80 U=4.6-16.8 (м/с) пористое покрытие, датчик «плавающая» стенка, фотографирование

12. Sanders et al. (2006) USA Navy's William В. Morgan Large Cavitation Channel; пластина: L=12.9 х3.0х0.184м, (plate-on-top) 99 80 U=6 (м/с) U=12, 18 (м/с) Большой кавитационный канал ВМФ США, пористое покрытие (+щель). три датчика локального трения, фото-видео

13. Elbing et al. (2008) USA Navy's William В. Morgan Large Cavitation Channel; пластина: L=12.9 x3.0x0.184 м (plate-on-top) 99 U=6-15 (м/с) Db=0.1-0.2 мм при U=20 (м/с) Большой кавитационный канал ВМФ США, пористое покрытие (+щель), три датчика локального трения, фото-видео, концентрации газа

14. Kato, Miyanaga. Haramoto. Guin University of Tokyo. JapanC1995) Гидро. канал: рабочая часть 0.05x0.12x3.0 м 80 d110p=l 5; 60 мкм, Db=270 мкм. U=8-42 (м/с) пористое покрытие, щелевой вдув, 5 датчиков «плавающая» стенка, фотографирование

15. Guin, Kato. Yamaguchi, University of Tokyo, Japan(1996) Гидро. канал: рабочая часть 0.01x0.1x2.0 м, (plate-on-top), Snop=0.111x0.088 мм2 20 йпор=100мкм, Db=0.5-0.7 мм, U=4.5-8.1 (м/с) пористое покрытие, датчик «плавающая» стенка, фотограф-е, концентрация газа (волоконный датчик, изокинетический зонд)

16. Kodama, Kakugawa. Takahashi, Kawashima (Ship Research Institute, Tokyo, Japan(2000) Гидро. канал: 0.015x0.100x3.0 м, (plate-on-top) 40 U=5;7;10 м/с пористое покрытие, фотографирование, концентрация газа (волоконный датчик, изокинетический зонд)

17. Moriguchi, Kato (2002) Гидро. канал: рабочая часть 0.01x0.1x2.0 м, (plate-on-top), 40 U=4.0-8.0 м/с Db=0.4-2.2 мм пористое покрытие, датчик «плавающая» стенка, концентрация газа (волоконный датчик), ОЬиь=0.4-2.2 мм при ЭЯ=40%

18. Kodama. Kakugawa. Гидро. канал: 0.015x0.100x3.0 м, 40 U=5;7;10 (м/с) пористое покрытие, фотографирование,

Takahashi. Kawashima (Ship Research Institute, Tokyo. Japan(2000)" (plate-on-top) концентрация газа (волоконный датчик, изокинетический зонд)

19. Watanabe, Masuko, Shirose (1998) Длинные пластины: L=20, 40 м 1530 U=5; 7 (м/с) Буксировка, пористое покрытие, 5 датчиков «плавающая» стенка

20. Kodama, Kakugawa, Takahashi. Kawashima (2000) Длинная пластина: L=50 xl.O м 20 U=5; 7 (м/с) Буксировка, пористое покрытие, 5 датчиков «плавающая» стенка

21. Nagamatsu, Kodama, Kakugawa, et al.. (2002) A full-scale experiment on microbubbles for skin friction reduction using SEUIN-MARU, L=105M 5 dnop=2.4 мм U=7 (м/с) Полномасштабный эксперимент, спец. пористое покрытие

22. Kitagawa, Hishida Kodama (2005) Гидро. канал: 0.015x0.1x3.0 м, SnoP=0.072x0.036 м (plate-on-top) 7 dnOp=0.25 мм Db=0.53MM, U=5 (м/с) PTV, LIF, SIT (концентрация газа 0.5 %)

23. Cabillet, Colin, Fabre (2002) Гидро. канал: 0.025x0.2x4.0 v Sa,,=0.18x0.205 м, (plate-on-bottom) 0 dn0p=5:25 мк U= 1.34 (м/с) пористое покрытие, пленочный термоанемометр, концентрация газа (волоконный датчик)

24. Wu (2007) Гидро. канал: 2.2x5.325x14 м Модель: тело вращения L= 1.325 м, 0=0.12 м 0 dnop=l;10 мкм U=4-7 (м/с) Полное сопротивление модели, пористое покрытие, электролиз, электрохимия

В первой публикации по теме [17] сообщалось о снижении сопротивления до 30% буксируемой модели (тело вращения: Ь=0,915 м, <1=0,127 м, Бь=60 мкм) при скорости движения 11=(0,32-К2,6) м/с. Вокруг модели укладывался медный провод, а пузырьки диаметром около 60 микрон создавались электролизом.

В работе [10] исследовался эффект снижения трения с помощью вдува газа через проницаемое покрытие во входном участке гидродинамического канала с поперечным сечением 0.05x0.18 м2 и длиной 1.2 мм при числах Рейнольдса до 7х 106. Было показано, что при вдуве газа через пористую стенку эффект снижения трения сохранялся вниз по потоку на расстоянии -25 толщин

пограничного слоя, а размер пор газогенератора мало влиял на этот эффект в диапазоне от 1 до 50 микрон. Форма профиля концентрации газовой фазы, измеренная датчиком проводимости, была подобна предыдущим работам [8, 9].

Оптимизация относительных размеров газогенератора при применении пузырькового метода снижения трения исследована в работе [12]. Особенности щелевого вдува газа на телах, движущихся в воде, и возможные механизмы снижения трения при газонасыщении турбулентного пограничного слоя представлены в работах [13, 15].

В национальной лаборатории Пенсильванского университета (США) проведено дальнейшее изучение физических основ снижения турбулентного трения при газонасыщении потока [18-23], обзор которых приведен в [2]. В работах [18, 19] исследовалась эффективность снижения турбулентного трения с помощью газонасыщения на начальном участке гидродинамического тоннеля в диапазоне чисел Рейнольдса до 2x107 при различной гравитационной ориентации стенки. Здесь число Рейнольдса Re=UX/v, U-скорость потока, X-координата вдоль по потоку, v-кинематическая вязкость жидкости. Было показано, что максимальное снижение трения на 80% достигается при минимальной скорости потока (U=4.7 м/с) на верхней стенке (plate on top), а при максимальной скорости потока (U=16.8 м/с) гравитационная ориентация стенки не влияла на эффективность снижения турбулентного трения. При удалении вниз по потоку за газогенератором эффект снижения трения уменьшался от максимума почти до нуля на расстоянии порядка 35 толщин пограничного слоя. При газонасыщении турбулентного потока интенсивность пульсаций трения на стенке также уменьшалась в области высоких частот, что подтверждало результаты предыдущих исследований. Для объяснения эффекта была предложена гипотеза, в которой механизм снижения трения при газонасыщении пограничного слоя аналогичен действию полимерных добавок [1], и связан с увеличением эффективной вязкости газожидкостной смеси в буферной зоне, под действием которой уменьшается интенсивность генерации турбулентности и увеличивается толщина вязкого подслоя. Результаты

моделирования [20], проведенного с применением стандартного численного кода (СРБ) для сжимаемого турбулентного пограничного слоя показали, что снижение трения на 50% возможно, причем пузырьки наиболее эффективны, когда пик концентрации находится в буферном слое. Влияние пузырей моделировалось с учетом изменения эффективной вязкости и плотности смеси, как функции заданного профиля концентрации газовой фазы.

Путем учета ослабления лазерного излучения, прошедшего через водопузырьковую смесь, в [21] исследовалось относительное распределение газовой фазы в пограничном слое на пластине (Яе до 2^107) при различной гравитационной ориентации стенки. Показано, что при вдуве газа через пористую вставку в вязком подслое практически нет пузырьков, эффект снижения трения наблюдался только в случае присутствия пузырьков в пристенной зоне при У+=Уи"7у< 200, где и+=(т^/р)! 2 - динамическая скорость, т№ ^ -касательные напряжения на стенке, р - плотность жидкости, у-кинематическая

вязкость жидкости. Фотографирование потока при малых расходах газа показало, что вниз по потоку за газогенератором слияние пузырьков приводило к увеличению их размеров, увеличение расхода газа также увеличивало размеры пузырьков, а рост скорости потока их уменьшал при прочих равных условиях. Толщина пузырькового слоя при нижней ориентации стенки оказывается выше, чем при верхней, из-за эффекта плавучести. В [22] исследовали влияние скорости потока, физических свойств вдуваемого газа (гелий), продольного градиента давления (положительного и отрицательного) [23] на эффект снижения трения с помощью газонасыщения на модели длиной 0.632 м и диаметром 0.089 м.

С применением бесконтактного оптического метода в [24] проведены измерения концентрации газа в пристенной зоне, а также скорости газовой фазы во внешней области пограничного слоя со снижением трения до 60% при Яе до 2x107 во входном участке гидродинамического тоннеля. Показано, что при 30 концентрация газа составляет не более 3-5%, а в вязком подслое

пузырьков нет. При удалении от стенки концентрация пузырьков резко увеличивается до максимума в пристенной зоне. Скорость пузырьков относительно жидкости постепенно уменьшалась (до - 30%) при приближении к стенке от верхней границы слоя. Применение методики было ограничено объемной концентрацией газа -(40-50)%

Исследования эффективности газонасыщения при больших числах Рейнольдса до 2x108 проводились в большом кавитационном канале военно-морского флота США сечением 3.05x3.05 м2 и длиной 13 м при скоростях потока до 20 м/с. В работе [25] при вдуве газа через пористую стенку на пластине длиной 12.9 м (plate on top) с нулевым градиентом давления реализован режим течения с почти непрерывной газовой пленкой, которому соответствовало снижение локального трения, близкое к 100%, практически на всей длине пластины. Видеосъемка пристенной зоны показала, что такой результат получен при скорости потока 6 м/с за счет коалесценции газовых пузырьков, которые под действием плавучести двигались к стенке, сливались и создавали почти непрерывную газовую пленку (режим ALDR). При увеличении скорости потока до (12 - 18) м/с при вдуве газа в пограничном слое пластины реализовывался пузырьковый режим течения газожидкостной смеси (режим BDR), а эффект снижения локального трения вниз по потоку за газогенератором уменьшался от максимума (80%) до - (5-10)% на расстоянии -3-4 м за газогенератором. Снижение локального трения наблюдалось, когда пузырьки размером d+=Dbu+/v <100 находились в пристенной зоне в пределах Y+<300, здесь Db - диаметр пузырьков

В работе [26] на той же пластине длиной 12,9 м (plate on top) реализован режим течения с почти непрерывной газовой пленкой, которому соответствовало снижение локального трения - 99% по всей длине при скоростях потока до 15 м/с. Датчиками электрического импеданса, электроды которого заделаны заподлицо со стенкой пластины, была измерена локальная концентрация газовой фазы в пристенной зоне толщиной до 5 мм. Измерения

показали корреляцию между снижением локального трения и концентрацией газа вблизи стенки для пузырькового режима течения газожидкостной смеси.

В работах японских исследователей представлены результаты успешного применения пузырькового метода снижения турбулентного трения на пластинах длиной до 50 метров и натурных кораблях. При испытаниях макетов танкеров с длиной пластин 20, 40 м и шириной 0.6 м получено снижение трения ~ 30 и 15% [27], а на пластине длиной 50 м и шириной 1 м при скорости буксировки в специальном бассейне 7 м/с получено ~ 10-15% [28]. В полномасштабном эксперименте, используя учебное судно SEIUN-MARU, получено снижение потерь на трение 3 %, а чистая экономия энергии составила 2% при скорости движения судна 7m/s [29]. В другом полномасштабном эксперименте, используя цементовоз, пузырьки воздуха не попадали в основание корпуса, и поэтому снижение потерь составило 1 % [30].

С применением оптических методов PIV, LIF, SIT [31], PTV [32, 33] проведены исследования механизма снижения трения при пузырьковом методе в горизонтальном канале длиной 3 м и сечением 0.015х 0.1 м. Было показано, что с применением достаточно крупных пузырьков 0.5-2.0 мм при низких числах Рейнольдса можно получить существенное снижение турбулентного трения. Пузырьки газа модифицируют турбулентность, уменьшая положительную составляющую турбулентного трения р(1- cpg)u'v' за счет уменьшения плотности газожидкостной смеси у стенки, и добавляя отрицательную составляющую - <pg'v', связанную с колебательным движением пузырьков у верхней (top) стенки канала, здесь р плотность жидкости, cpg -объемная концентрация газовой фазы, и' и v' продольные и поперечные пульсации скорости жидкости.

Зависимость снижения локального трения от концентрации пузырьков в пристенной зоне горизонтального канала сечением 0.01x0.1 м исследовано в [34, 35]. Показано, что снижение трения при газонасыщении потока в канале лучше коррелирует с концентрацией газа в пристенной зоне (Y=l мм), чем со средней концентрацией газа в поперечном сечении канала. В работах [36, 37]

было показано, что в горизонтальном канале при газонасыщении потока получено снижение трения до 40% не зависимо от среднего размера пузырьков в диапазоне от 0.4 до ~ 2.2 мм, и показана высокая корреляция снижения трения на стенке с концентрацией газа в ее пристенной зоне. В [38] проведено исследование структуры потока в горизонтальном канале при вдуве газа через пористое покрытие (и=1.34 м/с) применительно к процессам охлаждения ядерного реактора.

Обзорные результаты по снижению турбулентного трения путем ввода газа через пористое покрытие, заимствованные в [25, 26] показаны на рис. 6.1 а, 6. Здесь по оси абсцисс отложена расходная концентрация газа a=Qg/(Qg+Qw), - расход газа, ()и = иоЬ(до- <5^*)-расход воды, Ь-ширина газогенератора, 80 и (50*-толщина однофазного пограничного слоя и толщина вытеснения для середины проницаемого покрытия), а по оси ординат относительное снижение локального трения С/С/о (с газом и без газа) и ОЯ=1- С/Ср. Индекс «0» относится к однофазному потоку. Как видно, расходная концентрация газа не обобщает результаты измерений по снижению турбулентного трения. Поэтому поиск определяющих параметров и безразмерных комплексов является актуальной задачей.

Целью комплексных экспериментальных исследований, результаты которых излагаются ниже, выполненных в достаточно широком диапазоне изменения скорости потока, расхода газа и при различной гравитационной ориентации обтекаемой стенки, является изучение влияния распределения концентрации газа в пристенных газо-жидкостных потоках на величину снижения локального трения, что позволит лучше понять механизм снижения трения за счет микропузырьков газа и оценить возможности метода.

6.2 Влияние газонасыщения на снижение локального трения и пульсационного давления в турбулентном пограничном слое на пластине

Одним из известных способов изменения сопротивления тел является заполнение пограничного слоя жидкостями с другими физическими константами [6, 7]. Например, как полагали многие авторы, было бы весьма желательным оттеснить основной поток жидкости от обтекаемой стенки тонким слоем газа типа «газовой смазкой». Тем самым трение в жидкости заменялось бы значительно меньшим трением в газе. Практически же указанную схему течения с устойчивой поверхностью раздела газ-жидкость реализовать не удавалось (до последнего времени), если не иметь в виду кавитационное обтекание. Известно, что зона генерации турбулентности в пограничном слое расположена на некотором расстоянии от обтекаемой стенки. Предполагалось, что если ее заполнить малыми газовыми пузырьками, то это должно привести к существенному влиянию на генерацию турбулентности в пограничном слое и режим течения жидкости.

В связи с этим был поставлен следующий опыт [8]. Путем вдува газа через специальное проницаемое покрытие на пластине осуществлялось пузырьковое газонасыщение турбулентного пограничного слоя. Датчики на пластине располагались за проницаемым покрытием. Они обеспечивали одновременное измерение следующих параметров течения: касательного напряжения вязкого трения и пульсаций давления на поверхности пластины, а также объемного газосодержания в пограничном слое. Опыт проводился в гидродинамической трубе НИИ Механики МГУ (Ь=2 м, сечение 0.12 м*1.0 м) при скорости потока от 4 до 11 м/с.

На рис. 6.2 изображены продольный разрез пластины с пористым покрытием для газонасыщения турбулентного пограничного слоя. Распределение давления (точки 1-3) оставалось постоянным для всех режимов газонасыщения потока в трубе. Проницаемое покрытие пластины составляло около 30% от полной смоченной поверхности. Оно располагалось

по длине пластины от 8.3 до 42% и состояло из трех секций, разделенных 20 мм непроницаемыми вставками. Каждая секция проницаемого покрытия представляла набор пластинок толщиной по 0.8 мм (материал— дюраль Д16Т). На одну из сторон каждой пластинки механическим путем наносились тонкие риски. После этого пластинки в секции механически плотно сжимались между собой. Опыты показали, что щели между плотно прижатыми пластинками, благодаря нанесенным рискам, представляют совокупность пор с хорошей однородностью по размерам. Размеры пор определялись по отрывному диаметру пузырьков в статических условиях, путем пересчета по известной формуле [50]. Отрывной диаметр пузырьков определялся по фотографиям. Характеристики проницаемого покрытия: средний размер пор 1 мкм (от 0.5 до 3.5 мкм), поверхностная пористость около 1%, газопроницаемость 0.35 см /атмхс. Размеры пластины: длина 0.955 м, ширина 0.244 м, толщина 0.04 м. Числа Рейнольдса по длине пластины изменялись в диапазоне (3-8)хЮ6. Касательные напряжения на поверхности пластины регистрировались датчиком «плавающая стенка», который располагался на расстоянии 50 мм за пористым покрытием, и записывались на прецизионном самописце Е2-2. При размерах «плавающей стенки» 36x25 мм2 и зазоре 0.18 мм погрешность измерений составляла ± (5-7)%.

На рас. 6.3 показано относительное изменение локального гидродинамического трения (С/Ср) от расходной концентрации газа в исследуемом диапазоне скорости потока 1/0. Здесь и далее индекс «0» относится к режиму течения без вдува газа, ()ё - расход газа, С^у=иоЬ(5о- 50*)-расход воды, Ь-ширина модели, 50 и 50*-толщина однофазного пограничного слоя и толщина вытеснения для середины проницаемого покрытия модели. Результаты исследования показали, что снижение локального трения на модели плавно увеличивается с ростом расхода газа до некоторой оптимальной величины (<За*), зависящей от скорости потока, а далее эффект снижения трения ухудшается. Увеличение

скорости потока до и0= 10.9 м/с привело к относительному снижению локального трения на 80-90%.

На рис. 6.4 показана зависимость локального коэффициента сопротивления от локального числа Рейнольдса и режима газонасыщения пограничного слоя. Здесь Сд=С>ё/8ио, 8-площадь пористого покрытия. Для режима течения без вдува газа указанная зависимость хорошо совпадает с известными результатами Прандтля - Шлихтинга и Никурадзе для гладкой плоской пластины [51]. Пунктиром на графике отмечено ламинарное сопротивление плоской пластины. Как видим, при увеличении числа Рейнольдса и объемного газосодержания в пограничном слое двухфазное трение приближается к ламинарному трению в однофазном потоке.

Распределение концентрации газа в исследуемом сечении пограничного слоя на пластине и их зависимость от скорости потока для одинаковых расходов газа изображены на рис. 6.5. Измерения проводились датчиком электрического импеданса с пластинчатым преобразователем, подробно описанным в работе [52]. Здесь фё-объемное газосодержание, У-расстояние по нормали от обтекаемой поверхности, 5 - расчетная толщина пограничного слоя на пластине. Общая закономерность по распределению объемного газосодержания в пограничном слое на пластине состоит в том, что при увеличении скорости потока пузырьки газа все ближе прижимаются к поверхности пластины. При этом концентрация газа в пристенной зоны пограничного слоя па пластине увеличивается, а касательные напряжения на пластине уменьшаются.

Нормированные спектры мощности пульсационного давления для различных режимов газонасыщения пограничного слоя показаны на рис. 6.6. По оси абсцисс отложены безразмерные частоты /до*/и (50*- толщина

■у у

вытеснения, {- частота пульсаций), а по оси ординат - величина (Р' )и/т„0~ 30*.

В качестве масштабов длины и скорости используются значения 1=ё0*и+/и и динамическая скорость «+= (т^/р)1'2 (тчу0-касательные напряжения, р- плотность жидкости), предложенные в монографии [53]. Спектр

для режима течения без вдува газа хорошо совпадает с известными измерениями пульсаций давления на пластине [54]. Началу снижения сопротивления (10%) соответствует уменьшение интенсивности пульсаций давления в области частоты среза. При снижении сопротивления больше 80%) интенсивность пульсаций в области безразмерных частот уменьшается почти на два порядка по сравнению с обычными турбулентными пульсациями давления.

В связи со слоистой структурой турбулентного пограничного слоя, и имея в виду, что генерация турбулентности происходит в буферной зоне, можно предполагать, что наибольшее влияние малые газовые пузырьки должны оказывать на течение жидкости при газонасыщении именно в пристенной зоне (Y/5). Поэтому за характерную объемную концентрацию газа в пограничном слое можно принять газосодержание пристенной зоны (Y/ô=0.1). Обозначим ее индексом cpg*. По представленным выше экспериментальным результатам можно определить влияние объемного газосодержания cpg* на относительное снижение локального трения C/CJovl на относительное изменение коэффициента трансформации здесь

tlo=(Po'2)h2/0.5pUo2, (Pô'2)'^-среднеквадратичное значение пульсаций давления в широкой полосе частот в однофазном потоке. Коэффициент трансформации, как известно, указывает на эффективность процесса превращения кинетической энергии скоростного напора в энергию пульсационного давления, т.е. на трансформацию энергии невозмущенного потока в пульсационную энергию. Зависимость указанных выше величин от характерного объемного газосодержания (<pg*) показана на рис. 6.7. Для всех скоростей потока и всех режимов его газонасыщения проявляется единая закономерность как по относительному изменению локального трения, так и по изменению коэффициента трансформации. Становится очевидным, что снижение сопротивления при насыщении пристенной зоны пограничного слоя малыми газовыми пузырьками связано с уменьшением эффективности генерации турбулентности, причем именно в высокочастотном диапазоне, как показывают

нормированные спектры мощности пульсационного давления. Все это свидетельствует о стабилизации течения в пристенной зоне пограничного слоя, вызванное присутствием больших объемных концентраций пузырьков газа. Однако при газонасыщениях больше оптимальной величины на графике заметны характерные ответвления, по-видимому, связанные с внутренним механизмом взаимодействия между пузырьками, их слиянием и разрушением.

6.3 Снижение трения при газонасыщении турбулентного потока в трубе. Измерение профилей скорости и концентрации газовой фазы

С целью дальнейшего исследования физического механизма снижения трения при пузырьковом методе и проверки указанной выше гипотезы, были проведены комплексные измерения снижения локального трения на стенке и его пульсаций, профилей скорости (ЛДА) и концентрации газа в газожидкостном турбулентном потоке в трубе сечением 30x40 мм2 на расстоянии 50 мм за местом вдува газа через пористую вставку [9]. Исследования проводились на гидродинамическом стенде гравитационного действия (рис. 6.8) совместно с ИАиЭ СО АН СССР при скорости потока на оси трубы ио=8.3 м/с. Число Рейнольдса, определенное по гидравлическому диаметру трубы, составляло 2.85* 10э. Газонасыщение турбулентного потока в горизонтальной прямоугольной трубе осуществлялось вдувом газа через специальное проницаемое покрытие, которое вставлялось заподлицо с нижней стенкой трубы. Проницаемое покрытие изготовлялось по уже описанной выше технологии и имело размеры 250x24 мм", средний размер пор составлял 3 мкм. Поверхностная пористость покрытия составляла около 1%.

Для определения газосодержания в эксперименте было использовано ослабление луча лазера ЛГ-36 (длина волны Х=0.488 мкм, мощность 10 мВт) при прохождении через водопузырьковый турбулентный поток.

Относительное ослабление луча лазера в указанных условиях можно представить в виде функциональной зависимости

I/Io=f(l, <pgJ Db) (6. 1)

где 1 - длина пути луча в двухфазной среде, cpg - объемное газосодержание среды, Db - диаметр рассеивающих свет пузырьков. Для определения указанной зависимости были проведены специальные исследования на тарировочной установке, которая представляла собой сосуд с пористым дном. Для исключения первого и третьего факторов при тарировках длины пути луча лазера в двухфазной среде исследуемого потока в трубе и тарировочном сосуде выбирались равными. Кроме того, для уменьшения диаметров пузырьков, генерируемых проницаемым покрытием при вдуве газа в тарировочном сосуде, вместо воды применялся 1%-ный раствор этилового спирта. Средний размер пузырьков составлял Db -150 мк. Используя результаты калибровки можно было определить объемное газосодержание по измерениям в исследуемом двухфазном потоке.

На рис. 6.9 показано распределение концентрации газа по сечению рабочей части (plate on bottom) при различных режимах газонасыщения турбулентного потока в трубе. По оси абсцисс откложено безразмерное расстояние от нижней стенки трубы Y+=Yu+/v,; по оси ординат -объемное газосодержание cpg. Расход газа изменялся в диапазоне 0.1-1.0 л/с. Расходная концентрация газа определялась как a=Q/(Qg+Qv), а расход жидкости рассчитывался как Q4=Uob(H/2-d0*), где b-ширина пористой вставки, Н=30 мм - высота канала.

Результаты данного исследования показывают, что в самой непосредственной близости нижней стенки трубы, в зоне вязкого подслоя концентрация газа равна нулю, то есть за местом вдува газа (у самой стенки) существует слой чистой жидкости. Это является весьма важной особенностью газонасыщения турбулентного потока. Отметим три основных особенности распределения объемного газосодержания в турбулентном потоке за местом

вдува газа: во-первых, в непосредственной близости нижней стенки трубы (в вязком подслое) объемная концентрация газа равна нулю; во-вторых, максимум объемного газосодержания приходится на 2У/Н-0.1; в-третьих, при движении к оси трубы объемное газосодержание почти экспоненциально уменьшается до нуля. Причиной существования зоны чистой жидкости в непосредственной близости нижней стенки и сосредоточения малых газовых пузырьков на некотором расстоянии от нее, по-видимому, является сила Сэфмана, связанная с зоной максимального градиента скорости жидкости в вязком подслое, а также со значительной циркуляцией скорости вокруг только что оторвавшихся с проницаемого покрытия пузырьков газа, и сила плавучести пузырьков.

Для измерения скорости жидкости и малых газовых пузырьков в двухфазном потоке в трубе в ИАиЭ СО АН СССР [9] был разработан лазерный доплеровский анемометр, блок-схема которого показана на рис. 6. 8. ЛДА содержит: 1-лазер, 2-четверть волновая фазовая пластинка, 3-объектив, 4- поляризационный расщепитель (призма Волластона), 5-объектив, 6 и 7-диафрагмы, 8-фокусирующий объектив, 9-приемный объектив, 10-полевая диафрагма, 11-призма Волластона, 12 и 13-фотоприемники, 14-дифференциальный усилитель, 15-электронный блок обработки доплеровского сигнала, 16-осциллограф. На рис. 6.10 показаны профили средней (по времени) скорости жидкости для режимов газонасыщения турбулентного потока в трубе, соответствующих данным на рис. 6.9. Профиль средней скорости жидкости в однофазном потоке показан на рис. 6.9 сплошной линией. Он хорошо соответствует степенному закону 1/7 для турбулентного потока в трубе. Профиль скоростей в двухфазном потоке измерен не полностью, поскольку при объемных концентрациях больше 3% луч лазера ослаблялся настолько, что доплеровский сигнал ЛДА невозможно было выделить из шумов. Из графика видно, что чем больше объемное газосодержание в турбулентном потоке, тем меньше градиент осредненных скоростей жидкости на нижней стенке трубы, и тем выше снижение локального трения. Следует учесть, что из-

за большого градиента скоростей в зоне около нижней стенки наиболее критичным размером области пространственного разрешения ЛДА была составляющая по оси У, которая в опыте равнялась 30 мкм, а измерительный объем ЛДА составлял 0.03x0,6x3 мм3.

Осредненные и пульсационные характеристики гидродинамического трения на нижней стенке трубы за местом вдува газа измерялись термоанемометром типа РТПС [55] с торцевым датчиком, установленным заподлицо со стенкой. Датчиком служила платиновая пленка размером 0.2x2.5 мм2, нанесенная методом вжигания на подложку из тугоплавкого стекла. Сигнал с датчика, как известно [19], пропорционален градиенту осредненных скоростей на стенке, то есть касательному напряжению вязкого трения. Пульсационная составляющая сигнала с датчика поступала на вход анализатора спектра типа 2112 фирмы «Брюль и Кьер» с третьоктавной шириной полосы пропускания фильтров и записывалась на самописце типа Т2305. На рис. 6.11 показана зависимость относительного гидродинамического трения на стенке (С/Ср) от расходной концентрации газа а, полученная по результатам измерений. Из графика следует, что чем больше объемное газосодержание потока, тем меньше касательное напряжение на нижней стенке трубы. Характерно наличие оптимального расхода газа, при котором снижение трения максимально. Результаты измерений локального трения можно сравнить с данными по измерению профиля скорости жидкости на рис. 6.9. В предположении, что жидкость в вязком подслое ньютоновская (фё=0), оценки снижения локального трения по данным на рис. 6.10 и 6.11 совпадают с точностью до ошибки измерений.

На рис. 6.12 показаны спектры пульсаций трения в однофазном потоке (1) и при оптимальном газонасыщении (2). По оси абсцисс отложены частоты пульсаций (Гц), а по оси ординат - среднеквадратичное значение пульсаций трения А в логарифмическом масштабе. Наибольшие изменения интенсивности пульсаций трения при газонасыщении турбулентного потока в трубе происходят в области частот от 200 до 4000 Гц, и при оптимальном

газосодержании потока составляют 5 дб, то есть интенсивность пульсаций трения уменьшается почти в 1.5 раза. Это свидетельствует о модификации турбулентности в пристенной зоне, вызванной малыми газовыми пузырьками при больших объемных газосодержаниях.

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что при газонасыщенин турбулентного потока в трубе имеет место существенное снижение локального гидродинамического сопротивления. При снижении трения градиент осредненных скоростей на обтекаемой стенке уменьшается на такую же величину. Спектральные характеристики пульсаций гидродинамического трения показывают, что снижение трения, вызванное малыми газовыми пузырьками при больших объемных концентрациях, связано с модификацией турбулентности в пристенной зоне. Распределение объемной концентрации газа в турбулентном потоке своеобразно: ее максимум приходится на 2У/Н = 0.1, в непосредственной близости обтекаемой стенки (в вязком подслое) пузырьки газа отсутствуют.

6.4 Экспериментальное исследование влияния гравитационной ориентации стенки на снижение турбулентного трения при газонасыщения пограничного слоя во входном участке канала

6.4.1 Снижение турбулентного трения с помощью газонасыщении пограничного слоя на верхней и нижней стенках канала

Экспериментальное исследование влияния гравитационной ориентации обтекаемой поверхности на эффективность снижения локального трения с помощью газонасыщения проводилось во входном участке гидродинамического тоннеля с прямоугольным сечением рабочей части высотой 0.1 м и шириной 0.3 м, длина которого составляла 2.2 м. Стенки рабочей части были изготовлены из оргстекла, что давало возможность

визуальных наблюдений пузырькового слоя. Блок-схема гидродинамического стенда Института теплофизики СО РАН показана на рис. 6.13.

Вода из приемного бака перекачивалась насосом центробежного типа в рабочую часть через хонейкомб с размером ячейки 50x50 мм2, и конфузор с поджатием 1:10. Степень турбулентности потока в рабочей части составляла ~ 1-2 % в диапазоне скоростей от 2 до 11 м/с. Скорость потока регулировалась задвижкой и измерялась трубкой Пито, установленной в центре входного сечения рабочей части. В открытом приемном баке пузырьки газа удалялись из жидкости. Воздух из магистрали высокого давления вводился в поток через пористую вставку (газогенератор) размером 0.14 (ширина)х0.172 (длина) м2, которая устанавливалась заподлицо со стенкой на расстоянии 0.429 м от конфузора в открытом варианте рабочей части, и 0.615 м - в закрытом варианте гидродинамического тоннеля. Расход газа изменялся в опытах до 7 л/с и измерялся стандартной диафрагмой с погрешностью ± 3%.

При вдуве газа через газогенератор с размером пор 20 микрон в потоке создавались пузырьки диаметром ~ 0,2-И,5 мм в зависимости от скорости потока и расхода газа. Исследования проведены при трех скоростях потока U=3.6, (6.3/6.5) и 10.2 м/с в диапазоне чисел Рейнольдса Rex = UxX/v до

п

1.5x10 , здесь X - расстояние вниз по потоку от начала рабочей части, U-скорость жидкости во входном сечении канала, v- кинематическая вязкость жидкости.

Локальное трение на стенке рабочей части было измерено датчиками типа «плавающая стенка» на тензовесах. Диаметр «плавающего» диска составлял 23 мм, а зазор - 0,1 мм. Калибровки датчиков проводились до и после опытов, результаты измерений записывались на самописце EZ-2. Конструкция блока, методика калибровки и измерения датчиками типа «плавающая стенка» приведены в [10]. Характерная погрешность измерения локального трения составляла ± 10%. Датчики (Р1-Р4) последовательно устанавливались заподлицо на нижней стенке (plate on bottom) гидролотка на расстояниях Х*=93, 168, 243 и 488 мм вниз по потоку за газогенератором, а на верхней

стенке (plate on top) канала к указанным расстояниям добавились измерения при Х*=688 мм (Р5-Р9). Тестовые измерения локального трения в однофазном потоке в исследованном диапазоне чисел Рейнольдса {рис. 6.14) показали отличие от стандартных расчетных значений [51] не более 10%. Профили скорости в однофазном потоке, измеренные трубкой Пито на расстоянии 93 мм за газогенератором, приведены в универсальных координатах «стенки» на рис. 6.15 для скоростей потока 2.9 и 5.6 м/с. Измерения показали хорошее соответствие пограничного слоя стандартным турбулентным характеристикам во входном участке канала.

Для измерения локальной концентрации газовой фазы в широком диапазоне параметров была применена известная схема, в которой волоконно-оптический датчик выполнял роль формирующей и приемной оптики лазерного доплеровского анемометра (ЛДВА-1) с опорным пучком, работающего в режиме обратного рассеяния. Методика измерения концентрации газовой фазы, основанная на изменении коэффициента преломления у наконечника датчика в газожидкостном потоке, приведена в главе 2 (гл. 2.3). Конструкция волоконно-оптического датчика показано на рис. 6.13. Выходной конец световода вводился в тонкую иглу от шприца диаметром 0.5 мм со скошенным передним торцом под углом 45 градусов, которая вставлялась в трубку диаметром 0.8 мм, изогнутую под углом 90° и закрепленную в координатном устройстве. Зондирующий торец световода диаметром 0.2 мм был выдвинут из иглы в поток на 3-4 мм. С помощью координатного устройства волоконный датчик перемещался по нормали к стенке канала, и направлялся в исследуемую область газожидкостного потока. Отсчет вертикальной координаты (Y) проводился по индикатору часового типа с ценой деления 0.01 мм.

Измерения в опытах проводились следующим образом. На первом этапе проводились измерения локального трения вниз по потоку за газогенератором на нижней стенке гидролотка. Два блока с датчиками локального трения устанавливались последовательно на расстояниях 93, 168, 243 и 488 мм за газогенератором. Измерения проводились при трех скоростях потока и четырех

расходах газа. Только при измерениях на минимальном расстоянии за газогенератором расход газа изменялся в широких пределах. Затем вместо блока локального трения устанавливался блок с волоконным датчиком, и проводились измерения профиля концентрации газовой фазы в заданном сечении пограничного слоя. За счет конструктивных особенностей профили ф были измерены на расстояниях Х*= 50, 200 и 445 мм за газогенератором при указанных выше скоростях потока и расходах газа. Аналогичным образом были проведены измерения в гидродинамическом тоннеле на верхней стенке рабочей части.

Распределения локального трения вниз по потоку за газогенератором представлены на рис. 6.16 а-в для верхней (top, сплошные линии) и нижней (bottom, пунктирные линии) стенок канала. Измерения проведены для трех скоростей потока и четырех расходов газа в диапазоне от минимального (практически без снижения трения) до оптимального. В виде исключения при скорости U=T0.2 м/с расход газа составлял 5.4 л/с. По оси абсцисс отложено безразмерное расстояние за газогенератором Х*/д, где S - толщина пограничного слоя в однофазном потоке в месте установки датчика трения, а по оси ординат С/С/о - относительное снижение локального трения. На минимальном расстоянии за газогенератором наблюдается максимальное снижение трения на стенке, величина которого растет при увеличении расхода газа. При скорости потока U=10.2 м/с (рис. 6.16 а) эффект снижения трения быстро уменьшался до нуля на расстоянии вниз по потоку Х*/5~34. Исключение составлял режим с достаточно большим расходом газа 5.4 л/с. Влияние гравитационной ориентации стенки незначительно. Для сравнения на графике показаны известные данные [19], полученные в гидродинамическом тоннеле Пенсильванского университета (США) при скорости потока U=T0.7 м/с. Сравнение результатов при близких расходных концентрациях газа подтверждает указанные выше закономерности, а небольшие отклонения находятся в пределах ошибки измерений.

Результаты измерений снижения локального трения при скоростях потока жидкости U=6.5/6.3 и 3.6 м/с показаны на рис. 6.16 б, в. Для нижней стенки канала закономерности снижения трения вниз по потоку качественно подобны рассмотренным выше. Количественные различия связаны с тем, что уменьшение скорости потока при Qg=Const приводит к увеличению локальной объемной концентрации газа в пограничном слое и большему эффекту снижения трения. Вниз по потоку эффект снижения трения терялся на расстоянии Х /5 ~ 28-31, в основном, из-за влияния плавучести газовой фазы, то есть влияние гравитационной ориентации стенки также увеличивалось. Для верхней стенки канала существенное снижение трения получено практически по всей длине рабочей части (в отличие от нижней стенки), причем величина эффекта тем выше, чем больше расход газа и меньше скорость потока жидкости. Под действием эффекта плавучести газовая фаза вниз по потоку движется к верхней стенке, увеличивая концентрацию в пограничном слое, что и приводит к высокому уровню снижения трения.

Как показано в работе [26], при газонасыщении пограничного слоя следует рассматривать три режима двухфазного потока: пузырьковый (BDR, DR < 20%), пленочно- пузырьковый (переходный, DR < 20 - 80% ) и пленочный (ALDR, DR > 80% ), в котором между твердой стенкой и потоком существует газовый слой («газовая смазка»). На рис. 6.17 а, б показаны результаты измерений снижения локального трения (DR=l-C/Cfo) в зависимости от удельного расхода газа (q = Q/b) на верхней (top) и нижней (bottom) стенках канала соответственно. Для сравнения на графике представлены результаты по снижению локального трения на пластине (top) при U=T1.1 м/с, полученные в большом кавитационном канале (США), на расстояниях (0.58-9.31) м за газогенератором [26]. Результаты измерений показали, что при увеличении q снижение локального трения на верхнего стенке (top) растет до DR=(70-80)% в наших опытах, причем крутизна кривых заметно изменяется при расстояниях за газогенератором порядка -0.1-0.5 м и более при U=10.2 м/с. При постоянном удельном расходе газа (q=const) уменьшение скорости потока приводит к

большему снижению трения, причем влияние расстояния за газогенератором на DR уменьшается. Можно предположить, что в ближней зоне за газогенератором (-0.05-0.5 м) вблизи стенки (top) при газонасыщении ТПС реализуется пленочно-пузырьковый режим.

При скорости потока U=10.2 м/с на нижней стенке канала наблюдаются примерно те же закономерности по зависимости DR от q. Но при уменьшении скорости потока наблюдается уменьшение DR вниз по потоку по сравнению с верхней стенкой из-за влияния плавучести газовой фазы. Вблизи газогенератора q имеет оптимум, при котором снижение локального трения максимально. Анализ показал, что наши результаты находятся в хорошем соответствии с современными исследованиями по снижению трения с помощью газонасыщения, и дополняют их в части закономерности DR=f(q) в ближней зоне за газогенератором. Пленочный режим течения в наших опытах не был реализован, по-видимому, из-за недостаточной длины рабочей части, поскольку формирование сплошной газовой пленки на верхней стенке канала происходит путем слияния пузырьков газа в некоторой переходной зоне за газогенератором.

6.4.2 Профили концентрации газа в турбулентном пограничном слое с газонасыщением на верхней и нижней стенках канала

Измерения профилей объемной концентрации газовой фазы ср проведены при трех скоростях потока на расстояниях Х*=50, 200 и 445 мм (за газогенератором) в турбулентном пограничном слое на нижней и верхней стенках канала. Профили газовой фазы в пограничном слое на верхней (рис. 6.18 а-в) и нижней (рис. 6.19 а-в) стенках канала для трех скоростей потока, трех расходов газа и трех расстояний за газогенератором показаны в универсальных координатах «стенки». Здесь по оси абсцисс отложено безразмерное расстояние от стенки канала причем и учитывает

снижение локального трения при заданном расходе газа. По оси ординат отложена ср - локальная концентрация газа.

Профили концентрации газа в пограничном слое зависят от расхода газа, скорости потока, расстояния за газогенератором, гравитационной ориентации стенки (влияние продольного градиента давления не исследовано). При скорости потока и=10.2 м/с в близи газогенератора (Х*=50 мм) профили концентрации газа на нижней и верхней стенках канала подобны по форме, но немного отличаются по величине. Они имеют пик (срт) на расстоянии У^~250-300 при Оё=2.3 л/с от обеих стенок. Вниз по потоку (Х*=445 мм) пиковое значение концентрации газа уменьшается, а его расстояние от стенки увеличивается до У+~1000 и 1300 для верхней и нижней стенок соответственно.

Уменьшение скорости потока до и=3.6 м/с при постоянном расходе газа ((^=2.3 л/с) при Х*=50 мм приводит к росту пикового значения концентрации газа и его приближению до 100/200 к верхней/нижней стенкам. При этом профили концентрации газа на стенках имеют разную форму. Вниз по потоку (Х*=445 мм) пиковое значение концентрации газа на нижней стенке уменьшается, а его расстояние от стенки увеличивается до У^~1500, а на верхней стенке оно практически не изменяется и остается примерно на одинаковом расстоянии У+~100, поддерживая эффект снижения трения на высоком уровне. Основной причиной изменений в распределении газа в двухфазном пограничном слое является эффект плавучести, влияние которого усиливается при уменьшении скорости потока, увеличении расхода газа, и изменении гравитационной ориентации стенки. Пузырьки направляются ближе к верхней стенке, увеличивая концентрацию газа в буферной зоне, и уменьшая ее во внешней области пограничного слоя. Эффект снижения трения при этом увеличивается. На нижней стенке плавучесть пузырьков, наоборот, приводит к уменьшению концентрации газа в буферной зоне, и увеличению ее во внешней области пограничного слоя. Эффект снижения трения при этом быстро теряется.

В дальних сечениях пограничного слоя при скоростях потока 1К10 м/с профили концентрации газа на нижней и верхней стенках канала существенно отличаются. На верхней стенке профили концентрации газа при q> ц1гап, имеют три характерные зоны: буферную зону вблизи стенки с максимальной концентрацией газа, к ней примыкает зона с минимальным градиентом концентрации, и далее - внешнюю зону с уменьшением концентрации газа до нуля на верхней границе пузырькового слоя. На нижней стенке профили концентрации газа имеют следующие особенности: вниз по потоку максимум концентрации газа удаляется от стенки, уменьшается, и переходит в плоскую вершину с зоной минимального градиента.

6.5 О механизмах снижения турбулентного трения при газонасыщении пограничного слоя

Известно, что процессы генерации турбулентности в однофазном потоке, определяющие трение на стенке, связаны с перемежающимися выбросами завихренной жидкости из вязкого подслоя в буферную область пограничного слоя. Наибольшие турбулентные касательные напряжения возникают вблизи стенок у внутренней границы турбулентного ядра. Турбулентные касательные напряжения имеют место только во время разрушения вязкого течения; физически они являются результатом выброса струй из пристенной области и связаны с изменением скорости потока поперек области разрушения. Вязкий подслой, имеющий малую толщину (У+~10), оказывает решающее влияние на развитие течения, и особенно на возникновение сопротивления, так как явления, происходящие в подслое, вызывают касательные напряжения на стенке, а вместе с ними и сопротивление трения [57-59].

Исследование различных аспектов механизма снижения турбулентного трения при газонасыщении пограничного слоя представлено в следующих основных публикациях. Простая модель

снижения трения при газонасыщении турбулентного потока, учитывающая уменьшение плотности смеси, увеличение ее эффективной вязкости [39] и модификацию турбулентности в пограничном слое, представлена в работе [40]. В этой первой работе в рамках гомогенной модели было получено аналитическое выражение для уменьшения напряжения сдвига в пограничном слое с пузырьками газа, оценочные расчеты по которому хорошо соответствовали нашим экспериментальным данным [8].

В работе [41] предложена аналитическая модель снижения трения при газонасыщении турбулентного пограничного слоя, близкая по идеологии работе [1]. Предполагалось, что по аналогии с действием полимерных добавок и мелких частиц, микропузырьки увеличивают эффективную вязкость, взаимодействуют с вихревой пеленой, уменьшая генерацию турбулентности в буферной зоне, при этом увеличивается толщина вязкого подслоя и снижается трение на стенке.

Для пузырькового режима течения (ВБИ.) в недавнем обзоре [5] обсуждаются несколько процессов, которые могут привести к уменьшению трения при газонасыщении: во-первых, присутствие пузырьков изменяет плотность и эффективную вязкость жидкости; во вторых, пузырьки при взаимодействии с потоком жидкости могут изменить турбулентный транспорт и интенсивность турбулентного обмена вблизи стенки; в-третьих, пузырьки приводят к сжимаемости потока [42]; в-четвертых, динамика и взаимодействие пузырей типа слияния (коалесценции) и разушения (раскалывания) может привести к затратам энергии турбулентности на эти процессы [43], особенно при больших числах Рейнольдса.

В [44] численно исследовано раздельное влияние уменьшения плотности газожидкостной смеси и увеличения ее эффективной вязкости на снижение трения при газонасыщении, а в работе [45] показано влияние только плотности газожидкостной смеси на эффект снижения трения, которое может достигать 50%.

В работах [46-48] прямым численным моделированием (DNS) показан эффект уменьшения генерации турбулентности во внутренней области турбулентного пограничного слоя, связанный с локальными градиентами концентрации малых пузырьков (Dt>-30 мкм) около квазинаправленной по потоку вихревой пелены и ее оттеснения в зону с меньшим градиентом скорости жидкости, что приводит к утолщению вязкого подслоя и снижению трения. Кроме того в работе [48] учитывались процессы слияния-разрушения газовых пузырьков и их влияние на эффект снижения трения в турбулентном пограничном слое.

Более сильное взаимодействие между вихревой пеленой у стенки и малыми газовыми пузырьками, размеры которых имеют порядок Колмогорове кого масштаба турбулентности, показано в экспериментальной работе [49], в которой для водородных пузырьков диаметром 30 микрон эффект снижения трения 44.9% получен при объемной концентрации газа 5.1 %.

Анализ экспериментальных и теоретических работ показал, что при газонасыщении пограничного слоя снижение локального трения зависит, главным образом, от концентрации газа в буферной зоне, которая уменьшает плотность смеси, увеличивает ее эффективную вязкость и, как следствие, модифицирует турбулентность при взаимодействии пузырей с вихревой пеленой в пристенной зоне пограничного слоя, что приводит к изменению пространственно-временной динамики и организации пристенных вихревых структур [8, 9]. На рис. 6.20 показаны результаты измерений, в которых относительное снижение трения является функцией <р*, то есть средней концентрации газа в пристенной зоне пограничного слоя (Y+<250). Здесь прямая 1 соответствует изменению плотности смеси в пристенной зоне пограничного слоя, а кривая 2- теоретической зависимости, учитывающей изменение плотности смеси, увеличение ее эффективной вязкости и модификации турбулентности [40]. Все известные экспериментальные данные по снижению трения с помощью газонасыщения хорошо обобщаются зависимостью от концентрации газа ср* в пристенной

(внутренней) зоне пограничного слоя, которая является ключевым параметром. Это подтверждает гипотезу, что основными сторонами механизма снижения трения при пузырьковом газонасыщении (18<с1ь<200-250) является уменьшение плотности смеси около стенки, увеличение ее эффективной вязкости, а также модификация турбулентности при взаимодействии пузырей с вихревой пеленой во внутренней области пограничного слоя.

Результаты главы 6

Впервые проведены комплексные измерения структуры турбулентного пограничного слоя с введением газа через пористую стенку и снижением трения до 80%:

1. Впервые показано, что снижение локального трения связано с ч уменьшением градиента средней скорости на стенке, уменьшением

интенсивности пульсаций трения и давления на стенке. , 2. Впервые проведены измерения профилей концентрации и показано,

что при увеличении расхода газа максимальная концентрация вблизи стенки достигает 70-80%» (У/8~0.1), но в вязком подслое концентрация газа близка к нулю.

3. Увеличение концентрации в пристенной зоне приводит к интенсивной коалесценции пузырьков, в результате которой течение в двухфазном пограничном слое переходит в пленочно-пузырьковый режим с характерным усилением эффекта плавучести газовой фазы (особенно при низких скоростях потока), определяя разную структуру потока около верхней и нижней стенок.

4. Показано, что ключевым параметром для снижения трения с помощью пузырькового метода является концентрация газовой фазы в пристенной (буферной) зоне безградиентного турбулентного пограничного слоя, величина которой определяется расходом газа, скоростью жидкости, расстоянием вниз по потоку за газогенератором и гравитационной ориентацией стенки.

5. Предложен и обоснован механизм снижения трения для пузырькового метода (18<с1+<250), который связан с уменьшением плотности смеси около стенки, увеличением ее эффективной вязкости, а также модификацией турбулентности при взаимодействии пузырей с вихревой пеленой во внутренней области пограничного слоя.

Список использованных источников в главе 6

1. Lumley J.L. Drag reduction in two-phase and polymer flows. Physics of Fluids, 1977, v. 20, Part II, no. 10, p. 564-571.

2. Merkle C.L., Deutsch S. Microbubble Drag Reduction in Liquid Turbulent Boundary Layers. Applied Mechanics Review, 1992, v. 45, no. 3, Part 1, p. 103-127.

3. Мальцев Л.И., Гузевский Л.Г., Кулик B.M., Малюга А.Г., Новиков Б.Г., Семёнов Б.Н. Некоторые вопросы морской гидродинамики (обзор). Теплофизика и аэромеханика, 2000, т.7, № 3, с. 319-337.

4. Корнилов В.И. Проблемы снижения турбулентного трения активными и пассивными методами. Теплофизика и аэромеханика, 2005, т. 12, № 2,

с. 183-208.

5. Ceccio L.S. Friction Drag Reduction of External Flows with Bubble and Gas Imjection. Annu. Rev. Fluid Mech., 2010, 42, p. 183-203.

6. Лойцянский Л.Г. Об изменении сопротивления тел путем заполнения пограничного слоя жидкостями с другими физическими константами. ПММ, 1942, т.6, с. 95-99.

7. Федяевский К.К. Уменьшение сопротивления трения путем изменения физических констант жидкости у стенки. Изв. АН СССР, ОТН, 1943, №9-10,

с. 70-78.

8. Мигиренко Г.С., Евсеев А.Р. Турбулентный пограничный слой с газонасыщением. В кн.: Проблемы теплофизики и физической гидродинамики, Новосибирск, Наука, 1974, с. 132-144.

9. Дубнищев Ю.Н., Евсеев А.Р., Соболев B.C., Уткин Е.Н. Исследование газонасыщенных турбулентных потоков с применением лазерного доплеровского измерителя скорости. ПМТФ, 1975, №1, с. 147-153.

10. Богдевич В.Г., Малюга А.Г., Распределение поверхностного трения в турбулентном пограничном слое за местом вдува газа. В кн.: Исследования по управлению пограничным слоем, Новосибирск, Институт теплофизики СО АН СССР, 1976, с. 62-70.

11. Migirenko G.S., Bogdevich V.G., Evseev A.R., Malyuga A.G., Gas-Saturation Effect on Near-Wall Turbulence haracteristies. Proc. Second Int. Conf. on Drag Reduction, 1977, Cambridge, England, D2-25-rD2-37.

12. Bogdevich V.G., Maltzev L.I., Maluga A.G. Optimisation of The Distributed Gas Injection into a Turbulent Boundary Layer for The Drag Reduction. Proceedings of the International Symposium on Seawater Drag Reduction, July 1998. Newport, Rhode Island, p. 327-330.

13. Maltzev L.I. Jet Methods of Gas Injection into Fluid Boundary Layer for Drag Reduction. Applied Scientific Research, 1995, № 54., p. 281-291.

14. Белоусов А.П., Евсеев A.P., Мальцев JI.И., Малюга А.Г., Исследование влияния газонасыщения на снижение трения в пограничном слое. Труды VIII межд. науч.-техн. конф. «Оптические методы исследования потоков» (ОМИП-2005), Москва, МЭИ, 2005, с. 416-419.

15. Мальцев Л.И., Малюга А.Г., Новиков Б.Г. О возможных механизмах воздействия пузырьков газа на характеристики турбулентного пограничного слоя. Теплофизика и аэромеханика, 2006, т. 13, № 3, с. 417-424.

16. A.R. Evseev, L.I. Maltsev « Bases of the bubble method for turbulent friction reduction». Journal of International Scientific Publications: Materials, Method&Technologies, 2012, V.6, Part 3, p. 25-48.

17. McCormick, M. E. & Battacharyya, R. Drag reduction of a submersible hull by electrolysis. Naval Engrs J., 1973, 85, p. 11-16.

18. Madavan N.K., Deutsch S. and Merkle C.L. Reduction of turbulent skin friction by microbubbles. Physics of Fluids, 1984, v. 27, p. 356-363.

19. Madavan N.K., Deutsch S. and Merkle C.L. Measurements of local skin friction in a microbubble-modified turbulent boundary layer. Journal of Fluid Mechanics, 1985, v. 156, p. 237-256.

20. Madavan N.K., Merkle C.L. and Deutsch S. Numerical investigations into the mechanisms of microbubble drag reduction. Journal of Fluids Engineering, 1985, v. 107, p. 370-377.

21. Pal S., Merkle C.L. & Deutsch S. Bubble characteristics and trajectories in a microbubble boundary layer. Physics ofFluids, 1988, v. 31, p. 744-751.

22. Deutsch S. and Castano J. Microbubble skin friction reduction on an axisymmetric body. Phys Fluids, 1986, v.29, 11, p. 3590-3597.

23. Clare H., Deutsch S. Microbubble skin friction reduction on an axisymmetric body under the influence of appled axial pressure gradients. Phys Fluids A, 1991, v.3, 12, p. 2948-2954.

24. Fontaine A.A., Petrie H.L., DeVilbiss D.W., Money M.J. and Deutsch S., 2005, Void fraction and velocity probe for micro-bubble flow. Proc. 2nd Symp. on Seawater Drag Reduction, Busan, Korea, 23-26 may 2005, p. 391-404.

25. Sanders W.C., Winkel E.S., Dowling D.R., Perlin M. & Ceccio S.L. Bubble friction drag reduction in a high-Reynolds-number flat-plate turbulent boundary layer. Journal of Fluid Mechanics, 2006, v. 552, p. 353-380.

26. Elbing B.R., Winkel E.S., Lay K.A., Ceccio S.L., Dowling D.R., and Perlin M. Bubble-induced skin-friction drag reduction and the abrupt transition to air-layer drag reduction. Journal of Fluid Mechanics, 2008, v. 612, p. 201-236.

27. Watanabe, O., Masuko, A., and Shirose, Y. Measurements of drag reduction by microbubbles using very long ship models. J. of Soc. Naval Architects of Japan 1998,183, p. 53-63 (in Japanese).

28. Takahashi, T., Kakugawa, A., Kodama, Y., and Makino, M. Experimental study on drag reduction by microbubbles using a 50m-long flat plate ship. TSFP-2, 2nd Int. Symp. on Turbulence and Shear Flow Phenomena, 2001, Vol.1, p. 175-180.

29. Nagamatsu, T., Kodama, Y., Kakugawa, A., et al. A full-scale experiment on microbubbles for skin friction reduction using "SEIUN MARU" Part 2: The Full-scale Experiment. J. of Soc. Naval Architects of Japan, 2002, 192,

p. 15-28 (in Japanese).

30. Kodama Y., Hinatsu M., Kawashima H. et al. A progress report of a research project on drag reduction by air bubbles for ships. Proc. 6th International Conference on Multiphase Flow, ICMF 2007, Leipzig, Germany, July 9-13, 2007.

31. Kitagawa A., Hishida K., Kodama Y. Flow structure of microbubble-laden turbulent channel flow measured by PIV combined with the shadow image technique. Experiments in Fluids, 2005, v. 38, p. 466-475.

32. Y. Murai, Y. Oishi, Y. Takeda, F. Yamamoto, Turbulent shear stress profiles in a bubbly channel flow assessed by particle tracking velocimetry. Experiments in Fluids, 2006, v. 41, p. 343-352.

33. Oishi Y., Murai Y., Tasaka Y. and Takeda Y. Motion of microbubbles relative to streamwise vortices in the wall turbulence. Proc. 6th International Conference on Multiphase Flow, ICMF 2007, Leipzig, Germany, July 9- 13, 2007, p. 1-12.

34. Kato H., Miyanaga M., Yamaguchi H., Guin M. Frictional drag reduction by injecting bubbly water into turbulent boundaiy layer and the effect of plate orientation. Proc. of the 2nd Int. Conf. on Multiphase Flow, 3-7 april, 1995, Kyoto, Japan.

35. Guin M.M., Kato H., Yamaguchi H., Miyanaga M. & Maeda M., 1996, Direct skin friction measurements and observation of drag reduction in a two-phase air-water channel. Proc. ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting, 1996, p. 93-100.

36. Kodama Y., Kakugawa A., Takahashi T., Kawashima H. Experimental study on microbubbles and their applicability to ships for skin friction reduction. Int. J. Heat and Fluid Flow, 2000, 21, p. 582-588.

37. Moriguchi Y. and Kato H. Influence of microbubble diameter and distribution on frictional resistance reduction. J. Mar. Sci. Technol., 2002, v.7, p. 79-85.

38. Gabillet C., Colin C., Fabre J. Experimental study of bubble injection in a turbulent boundary layer. International Journal of Multiphase Flow, 2002, v. 28, p. 553-578.

39. Sibree J.O., Trans. Far. Soc., 1934, p. 325.

40. Legner H.H. A simple model for gas bubble drag reduction. Physics of Fluids, 1984, v. 27, p. 2788-2790.

41. Marie J.L. A simple analytical formulation for microbubble drag reduction. Physicochem. Hydrodyn., 1987, 8, p. 213-220.

42. Lu J., Fernandez A. & Truggvason G. The effect of bubbles on the wall drag of a turbulent channel flow. Phys. Fluids, 2005, 17, p. 095102.

43. Meng J.C.S. & Uhlman J.S. Microbubble formation and splitting in turbulent boundary layer for turbulence reduction. Int. Symp. on Seawater Drag Reduction, 1998, p. 341-355.

44. Xu J., Maxey M.R. and Karniadakis G.E. Numerical simulation of turbulent drag reduction using micro-bubbles. J. Fluid Mech., 2002, 468, p. 271-281.

45. P.V. Skudarnov and C.X. Lin, Drag reduction by gas injection into turbulent boundary layer: Density ratio effect. Int. J. of Heat and Fluid Flow, 2006, v. 27,

p. 436-444.

46. Ferrante A. and Elghobashi S. On the physical mechanisms of drag reduction in a spatially developing turbulent boundary layer laden with microbubbles. J. Fluid Mech. 2004, v. 503, p. 345-355.

47. Ferrante A. and Elghobashi S. Effects of Reynolds number on drag reduction in a microbubble- laden spatially-developing turbulent boundary layer. Proc. 2nd Symp. on Seawater Drag Reduction, Busan, Korea, 23-26 may 2005, p. 299-307.

48. K. Mohanarangama, Cheunga S.C.P., Tua J.Y., and Chenb L. Numerical simulation of micro-bubble drag reduction using population balace model. Ocean Eng., 2009, v.36, No 11, p. 863-872.

49. J.O. Villafuerte and Y.A. Hassan, Investigation of microbubble boundary layer using particle tracking velocimetry. J. of Fluids Engineering, 2006, 129, p. 66-79.

50. C.C. Кутателадзе, Основы теории теплообмена. М., Атомиздат, 1979, 416 с.

51. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М. Наука, 1969, 744 с.

52. Троицкий В.П., Кокорин Ю.В., Гутников B.C. и др. Известия ВНИИГ, 1970, т. 92.

53. Таунсенд А.А. Структура турбулентного потока с поперечным сдвигом. М. ИЛ, 1959.

54. Ю.Г. Блюдзе, О.М. Докучаев. Изв. АН СССР, Механика жидкости, газа и плазмы, 1969, № 5.

55. Столповский А. А., Ткачев Н. II., Уткин. Е. И. Автокомпенсационные устройства для измерения параметров потоков жидкостей и газов. В кн.: Устройства и элементы систем автоматизации научных экспериментов. Новосибирск, Наука, 1970.

56. Hinze J.O. Fundamentals of the hydrodynamic mechanism of splitting in dispersion processes. AIChE J., 1955, 1, p. 289-295.

57. Kline S.L., Reynolds W.C., Schraub F.A. & Rundstadler P.W. 1967 The structure of turbulent boundary layers. J. Fluid Mech. 30, p. 741.

58. Adrian R.J., Meinhart C.D. and Tomkins C.D. 2000 Vortex organization in the outer region of the turbulent boundary layer. J. Fluid Mech. 422, p. 1.

59. Choi K.-S. 2001 Turbulent drag reduction mechanisms: Strategies for turbulence management. Turbulence Structure and Modulation, CISM Courses and Lectures No. 415. Springer-Verlag, 2001

Рисунки к главе 6

1.2

и Г # . _

г*;- * х • — 'С . *;

02 04 0.6

1Ш ..AT*. </Чю» МЛ 6т* . П1 12 та» UI 12 № » ' W

Ui

Di

18 es

fioffdrvfcterr а/ f - im» ' < m * : fr in • !

MDM, t;-Sm»'.kk»* TBL 5 ns * . fia«r »iwisvr ТШ N in * pi*«r TBL

H m * piair «bovr TBL 17m* $>ш<г Jtck'v» Ш ; } ? m * $<«<* «l**vr ttti |

ff ei V " r i» »

iöm » !

kodam* ri W f; - f m * s

!

19« %

08

(a)

• • —

" •s»«6su.< 11 ms"1 ♦ •♦1lsti,s2Qms-1

° ö

• о f * ■

• л«17

ол

* fi

i .

г*

» 4 I.

1 .sag . -ч I,

«•»Sande 14 etal.2006 ■о Madavanetal 1985а

с Deutsch « al. 2005 • • Ebing et al 2008

а

♦♦Sandeii et d. 2006 д Channel flow data, Katoetal 1998 » Murai et al. 2007 а л. Kodama et al. 2000

(6)

Рис. 6.1 а, б. Зависимость снижения локального трения от расходной концентрации газа при газонасыщении турбулентного пограничного слоя [25, 26].

't /.■ / , V г-

о '/У/-•'. ■ / / ''

, *

и

~ С

У

г

ж

-----

-

Рис. 6.2. Схема экспериментальной установки НИИ Механики МГУ (1. 2, 3 точки

измерения давления).

1.2

0.8

о

U 0.6

О

0.4

0.2

4t V- * A

• •

♦ ■ - •........ 4 A . •• *

♦ ♦ ■ АГ .....▲

4 ♦ « ■ Uo=10.9 м/с • Uo=8.7 Míe -Л- Uo=6.S5 м/с Uo=4.36 м/с

0.05 0.1

a=Qg/(Qg+Qw)

0.15

Рис. 6.3. Зависимость относительного снижения трения на пластине (С^/С^) от расходной концентрации газа и скорости потока Уо (м/с): • - 4,36: А- 6,55; ■- 8,7; ♦ - 10,9.

4

3.5 3 2.5 2 1.5 1

0.5 О

i

4 Щ 1 4

+N N I 4 л i

A

■

--------

• turbulent Cq=0 laminar, Cq=0

A Cq=0.46*10-3

♦ Cq=0.715x10-3 ■ Cq=0.98*10-3 + Cq=1.16x10-3

2

Rex10-6

Рис. 6.4. Зависимость Qot числа Рейнольдса и режима газонасыщения пограничного слоя: •-turbulent; «-laminar Cq =0; A- Cq=0.46«10"3, Ф-Cq =0.715* 10"3; Cq =0.98*10'3 ,

+- Cq =1.16-10"3

Рис. 6.5. Зависимость профиля концентрации газа в пограничном слое от расхода газа и скорости потокаи0, м/с: (а)-10.9; (б)-6,55; (с)-4,36; 1-<}й=1,85 л/с; 2-(^=0,55 л/с;

3-С?е = 0,17 л/с.

Рис. 6.6. Нормированные спектры мощности пульсации давления при различных режимах газонасыщения пограничного слоя: (1)- Сч=0; (2)- Сд=2х10" , Сг/Сго=0.9; (3)- Сч=4х 1 0" Сг/Сго=0.65; (4)- С, =6.2хЮ'4, Сг/Сго= 0.4; (5)- Су=1(Г3 СУСго=0.17; (6)- Сд=1.2х10"3, Сг/Сго=0.13.

Рис. 6.7. Зависимость (Сс./Сг0) и (г]/г|о) от концентрации газа в пристенной зоне •-и0=4.36 м/с; А- и0=6.55 м/с; и0=Ю.9 м/с; п/г|о.

Рис. 6.8. Схема гидродинамического стенда ИАЭ СОАН СССР [9]:

ЛДА: 1-лазер, 2-четверть волновая фазовая пластинка, 3-объектив, 4- поляризационный расщепитель (призма Волластона), 5-объектив, 6 и 7-диафрагмы, 8-фокусирующий объектив. 9-приемный объектив, 10-полевая диафрагма, 11-призма Волластона, 12 и 13-фотоприемники, 14-дифференциальный усилитель, 15-электронный блок обработки доплеровского сигнала, 16-осциллограф. Пленочный термоанемометрический датчик -17, блок электронной обработки-18. цифровой индикатор-19, осциллограф-20, анализатор спектра Т2112 -21. самописец Т2305-22.

Рис. 6.9. Зависимость профиля концентрации фё от расходной концентрации газа а в

поперечном сечении трубы.

Рис. 6.10. Профили средней (по времени) скорости жидкости для режимов газонасыщения турбулентного потока в трубе как на рис. 6.9: 1-а=0.0033, Сг/Сго=0.98; 2- а=0.0274. Сг/Сг.о=0.88; 3- а=0.0425, Сг/Сг„=0.78; 4- а=0.0676, Сг/СГо=0.62.

Го-83 тЧ, Х*=50 гшп (ЬоПот)

I ! 1 I

О 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

Рис. 6.11. Снижение локального трения при газонасыщении турбулентного потока в трубе.

Рис. 6.12. Спектральная характеристика пульсаций трения при газонасыщении турбулентного потока в трубе: 1-однофазный поток, 2-двухфазный поток с оптимальным

снижением локального трения на стенке трубы.

Fiber optical sensor

«0.15 ■>_« ""

Т-Щ

' 2о' " II

i

Shear stress sensor

450

Рис. 6.13. Блок-схема гидродинамического стенда Института теплофизики СО РАН.

О ш г □ и«<3 ш.1 Л С=10-2т! -----Шульи-Гр}игв [21] -Никур«ди [22]

\ \ \ V чТ 1

о О

[ ]

О 2 4 б 3 10 12 14

Яг10'6

Рис. 6.14. Зависимость локального трения от числа Яе во входном участке канала.