Численное и экспериментальное исследование течения в сопле двухфазного газокапельного потока с высокой массовой концентрацией жидкости в газе

Актуальность работы. Расчет параметров таких распространенных в практике течений как течения в камерах сгорания и соплах реактивных и ракетных двигателей с осесимметричным соплом, сопел распыливающих устройств, установок для поливания и орошения в сельском хозяйстве и установок для тушения пожара и т. п., что является важной для инженерной практики задачей. Течения подобного относятся к классу турбулентных многофазных неравновесных многокомпонентных полидисперсных неизотермических осесимметричных сопловых течений. Одним из классов таких течений можно назвать газокапельные течения с большой массовой концентрацией дисперсной фазы, обладающие рядом специфических свойств, одно из которых — существенное снижение скорости звука (в несколько раз) в двухфазной среде по сравнению с чистым газом и слабоконцентрированными течениями. Такие течения отличаются от других высококонцентрированных газожидкостных течений, как вспененных потоков, так и пузырьковых течений тем, что в них несущей фазой непрерывно распределённой в пространстве является газ.

Законченная теория двухфазных турбулентных течений в соплах и струях в настоящее время отсутствует. Для комплексного экспериментального исследования таких потоков возникает необходимость применения специального оборудования и особых рабочих тел (необходимо сформировать поток капель определенного размера и заданного компонентного состава), а также разработать и использовать специальные методы измерения параметров потока и соответствующую измерительную технику, что сильно усложняет данный процесс. Развитие математического моделирования течений подобного типа и современные мощности электронно-вычислительных машин позволяют в определенной мере получить данные о поведении двухфазного потока, но без получения экспериментальных данных, позволяющих провести проверку используемых математических моделей невозможно проверить адекватность их применения и точность полученных результатов.

Представленная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию высококонцентрированных газокапельных течений в сопле.

Теоретическое исследование выполнено с использованием достаточно хорошо распространенной математической модели двухфазного течения: двумерная двухскоростная двухтемпературная модель течения потока в сопле [1]. Из-за отсутствия данных о дисперсном составе потока на входе в сопло и на выходе из него, а также из-за значительного увеличения времени расчета, было принято допущение о монодисперсности рассматриваемого течения. Выпадение дисперсной фазы на образующую сопла не учитывается. Также было принято допущение об отсутствии фазовых переходов.

Высокое содержание жидкости в газе потребовало серьёзного подбора методологии экспериментальных исследований, следовало учесть возможность возникновения скачка уплотнения в двухфазной среде перед измерительным зондом из-за существенного снижения скорости звука.

Работа представляет логическое продолжение исследований течения многофазных потоков в соплах и струях, начатых Г. Н. Абрамовичем и продолженных научно-исследовательской группой И. А. Лепешинского на каф.201 МАИ которая продолжается и в настоящее время.

Диссертационная работа основана на данных теоретических и экспериментальных исследованиях, которые были выполнены на базе лаборатории кафедры 201 («Теория Двигателей») Московского авиационного института (государственного технического университета) и проводилась в соответствии с планом научно-исследовательских работ.

В процессе работы было проведено критериальное исследование течения высококонцентрированного двухфазного газокапельного потока в сопле. В процессе проведенного исследования были получены данные, для проверки и уточнения которых было проведено экспериментальное исследование. В ходе экспериментов измерены поля статического давления, импульса и расходов фаз в высококонцентрированной газокапельной струе на срезе сопла и распределение статического давление вдоль сопла экспериментальной установки, рассчитаны поля скоростей фаз и массовой концентрации на срезе сопла. По результатам обработки экспериментальных данных показана адекватность использования выбранной математической модели для расчета двухфазных (газокапельных) течений в сопле в выбранном диапазоне массовых концентраций. Подтверждена достоверность полученных результатов с помощью сравнения результатов, с данными исследований, как теоретических, так и экспериментальных, полученных другими авторами. Даны рекомендации по выбору входных параметров на примере проектирования пожарных систем различной мощности.

Современное состояние вопроса. На данный момент известно достаточно * большое количество работ, статей и монографий, которые посвящены исследованию многофазных течений в соплах и струях. Большая часть работ рассматривает течения газа с небольшим количеством примеси в виде твёрдых частиц или капель жидкости, основная практическая направленность этих работ — исследования процессов смесеобразования, выпадения конденсата на стенки сопла, их эррозия (для ракетных двигателей), газодинамическое напыление и т. д. Только небольшая часть из них посвящена исследованиям двухфазных течений с высокой массовой концентрацией дисперсной фазой в газе (более 5). Непрерывной и несущей фазой в данном случае является газ, что отличает течения подобного типа от течений вспененных жидкостей и течений жидкостей с пузырьками газа. Одно из основных направлений таких исследований — гидрореактивные двигатели.

Среди работ, посвященных исследованиям высококонцентрированных течений в соплах, в которых рассматриваются двухфазные течения с концентрацией до 50 и выше, следует отметить работы, проведённые в Московском авиационном институте [2−11], Харьковском авиационном институте [12−14]. Для расчёта подобных течений авторы использовали достаточно простую и прошедшую экспериментальную проверку квазиодномерную модель, в которой могут быть учтены процессы дробления и коагуляции капель, а также испарения и конденсации жидкости. Учёт радиальной неравномерности потока возможен при использовании двумерных моделей, но они, в основном применяются для случаев низкой массовой концентрации дисперсной фазы (до 5) [15−17] и для течений со сверхзвуковыми скоростями. В последнее время появился ряд работ посвященных данному вопросу [18−32 и др.].

Наибольшее количество экспериментальных исследований двухфазных течений посвящено течениям, где массовая концентрация дисперсной фазы в газе составляет от 0.1 до 1. Среди экспериментальных исследований двухфазных течений с высокой массовой концентрацией частиц (или капель) известно небольшое количество работ, посвящённых течениям в соплах. Это, в основном, работы в которых по результатам измерений определялись среднемассовые скорости фаз на срезе сопла [12]. Экспериментальные исследования высококонцентрированных двухфазных потоков в соплах и струях предъявляют значительные технические требования к оборудованию и методике измерений. Это происходит из-за того, что традиционные методы измерений (лазерно-оптические, зондовые) используемые при исследовании параметров в поперечных сечениях низкоконцентрированных течений в соплах и струях, оказываются неработоспобными или требующими серьёзной доработки при увеличении плотности исследуемых потоков.

На данный момент есть небольшое количество авторов, которые рассматривают течения в соплах и струях как единую задачу. Для двухфазных течений с высокой концентрацией дисперсной фазы можно отметить работу Ульянова Н. И. [33], посвященную экспериментальному изучению газопорошковых смесей в насадках и струях, однако проведённые им исследования имеют чисто прикладной характер и базируются на гомогенной теории двухфазной смеси. Наиболее близкий характер имеют работы Воронецкого А. В. [23,27] в которых проведено критериальное и экспериментальное исследования для газокапельных потоков в диапазоне высоких концентраций и подобрана методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных. Работы Янышева С. С. [30,31] также посвящены экспериментальному и теоретическому исследованию высококонцентрированных газокапельных потоков, но относятся к струйным течениям и поэтому их результаты не применимы к данной работе.

Объектом исследований представленных в данной диссертации является газокапельное течение с высокой концентрацией жидкости в сопле. В рассматриваемую систему входят:

— блок формирования газокапельной смеси (камера смешения);

— сопло с двухфазным рабочим телом;

— высококонцентрированная газокапельная струя на срезе сопла.

Исследование системы как единого объекта проводилось экспериментально.

Теоретические и экспериментальные исследования течений в соплах и струях определили область интересующих значений параметров рассматриваемой системы.

Цель работы — Проведение теоретических и экспериментальных исследований газокапельных течений в соплах при высокой массовой концентрации жидкости в газе.

Главными задачами работы являлись:

— анализ современного состояния вопроса исследований двухфазных течений, определение объекта исследования ;

— выбор математической модели и метода математического моделирования двухфазного течения газокапельного потока в сопле для проведения критериальных и параметрических расчётов;

— определение допущений и граничных условий при проведении теоретического исследования;

— анализ результатов проведённых численных расчётов, определение параметров и диапазонов их варьирования для проведения экспериментальных исследований с учетом имеющихся экспериментальных данных и аппаратуры для проведения исследования;

— выбор методов измерений и обработки результатов при проведении экспериментальных исследований;

— проведение экспериментальных исследований, анализ их результатов и проверка их достоверности;

— оценка адекватности использованных математических моделей и принятых при расчётах допущений;

— разработка рекомендаций для проектирования двухфазных систем «сопло-струя» различных масштабов при решении прикладных задач (системы пожаротушения и т. п.).

Научная новизна работы состоит в следующем:

— проведены теоретические и экспериментальные исследования газокапельных течений в сопле и его срезе при высокой концентрации дисперсной фазы;

— показана адекватность перехода к двумерным моделям при расчёте газокапельных сопловых течений с высокой концентрацией жидкости в газе;

— измерено распределение статического давления по тракту сопла;

— измерены поля статического давления, импульса и расходов фаз на срезе сопла и по ним определены поля параметров;

— подтверждена возможность использования выбранных математической модели и метода моделирования применительно к двухфазным течениям с высокой массовой концентрацией жидкости в газе- - даны рекомендации для формирования входных параметров при разработке устройств с двухфазным рабочим телом.

Практическая ценность работы состоит в том, что созданная на основе используемой математической модели и метода моделирования программа расчета высококонцентрированных двухфазных в том числе и газожидкостных потоков существенно расширила возможности анализа сопловых течений. Данная программа позволяет выработать рекомендации к формированию полей параметров на входе и геометрии сопла, для получения заданных значений выходных параметров и их полей. Экспериментально полученные поля параметров на срезе сопла позволили провести проверку адекватности применения использованной математической модели с учетом выбранных допущений для расчета сопловых течений в широком диапазоне массовых концентраций в двухфазных потоках. Подтверждена возможность использования квазиодномерной модели для создания устройств с двухфазным рабочим телом и их первичного анализа. Даны рекомендации для решения прикладных задач.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, нашли применение при уточнении рабочих параметров ранцевой установки пожаротушения «РУПТ-1−0.4», системы пожаротушения вертолетного базирования КВСПТ «ИГЛА-В», а также для проведения прикладных исследовательских работ по газокапельным течениям в научно-исследовательской группе кафедры 201 МАИ, НИИНТ при МАИ и НИЦНТ при МАИ, что подтверждается соответствующими актами.

Достоверность результатов исследования обеспечивается непосредственным сопоставлением результатов теоретического исследования с экспериментальными данными, а также их сопоставлением с результатами других авторов.

На защиту выносятся результаты:

1. Теоретических расчётов: критериальные исследования высококонцентрированных двухфазных течений в соплах.

2. Экспериментального исследования газокапельного течения с высокой концентрацией жидкости в сопле и на его срезе.

3. Результаты сравнительного анализа проведённых экспериментальных и теоретических исследований.

Апробация работы. Результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на аспирантских и газодинамических семинарах кафедры «Теории воздушно — реактивных двигателей» МАИ, а также на конференциях и семинарах: Международный Аэрозольный Симпозиум, М. 1998 г., 15 -ая научно-практическая конференция «Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков», Москва, ВНИИПО РФ 1999, III Международный конгресс «Актуальные проблемы механики сплошных и сыпучих сред», Москва, 2000 г., Третья международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях, Москва. 2000 г., IV Международный конгресс «Актуальные проблемы механики сплошных и сыпучих сред», Москва, 2001 г., X Международная конференция «Метод Давыдова. Теория и приложение», Москва 2002 г., IV Международная конференция по соплам и струям, Санкт-Питербург, 2002 г., 5-я Международная конференция Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия, Томск, 2003 г., Шестой форум российского вертолетного общества, Москва, 2004 г., XX Международный семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям, Санкт-Петербург, 2004 г., V Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2004), Самара, 2004 г.

Публикации. Материалы диссертационной работы излагались в 11 печатных работах, отражены в 9 научных отчетах.

Структура и объём диссертационной работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основная часть работы изложена на 152 страницах машинописного текста, всего работа содержит 62 рисунка, 6 таблиц и 135 библиографических названий, из них 10 на иностранных языках, общий объём работы — 157 страниц.

Основные выводы проведённого исследования следующие:

1. Используемая двумерная математическая модель позволяет более точно и качественно верно производить оценку процессов происходящих в двухфазном сопле по сравнению с одномерной моделью, в частности подтверждается неравномерность структуры потока в двухфазном сопле, получить которую с помощью одномерной модели невозможно.

2. Проведенное численное исследование позволило выработать ряд рекомендаций по созданию устройств пожаротушения и уточнения их рабочих режимов, а также указало путь для дальнейших исследований в данной области.

Проведенное экспериментальное исследование подтвердило обоснованность выбора данной математикой модели и позволило отметить хорошее качественное, а в некоторых случаях и количественное совпадение с результатами численного исследования.

Созданная в результате исследования программа позволяет производить расчеты различных устройств с двухфазным рабочим телом в широком диапазоне массовых концентраций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе рассмотрено двухфазное газокапельное течение с высокой концентрацией дисперсной фазы в сопле. Анализ результатов теоретического и экспериментального исследований газокапельного течения позволил определить круг вопросов, не нашедших пока достаточной теоретической и экспериментальной проработки. Анализ состояния современных систем пожаротушения позволил определить практическую направленность проводимых исследований — создание устройств для получения мелкодисперсных дальнобойных высокоскоростных газокапельных струй.

В процессе работы было проведено теоретическое и экспериментальное исследование двухфазных газокапельных течений с высокой концентрацией жидкости в сопле: осуществлён выбор математической модели, выполнены критериальные и параметрические расчёты течений газокапельного потока в сопле, проведена серия экспериментов на модельной установке. Проведён совместный анализ теоретических и экспериментальных результатов. Даны рекомендации для решения прикладных задач.