книги из ГПНТБ / Хьюитт Дж. Кольцевые двухфазовые течения

но описываются Купером {76] и Хьюиттом {166]. В более поздних работах рассматривались также методы повышения эффективности визуального наблюдения путем применения трассирующих частиц, интерферометра, шлиренметодов, методов теневых фотографий и ме­ тодов стереоскопии.

По очевидным причинам очень трудно фотографировать кипя­ щий поток в канале, в котором обогреваются все поверхности. По­ этому большинство работ по визуальному наблюдению потока в тру­ бе выполнено для каналов, в которых обогревалась только одна поверхность. В исследованиях применялись два основных типа кана­ лов: канал прямоугольного сечения, в одной стенке которого был вмонтирован ленточный нагреватель, или канал кольцевого сечения, центральная поверхность которого нагревалась.

В работах Брауера [35, 36] и Торикаи и др. {47] описаны иссле­ дования методом фотографирования кипящего потока в кольцевом канале с внутренним подогревом. Основная трудность исследования в канале кольцевого сечения состояла в том, что явления, возни­ кающие на кипящей поверхности, плохо просматриваются через толщу двухфазного потока. В особых случаях это не является слишком большим недостатком (например, при исследовании пу­ зырчатого кипения недогретой жидкости в области, расположенной до области отрыва пузырей), и нередко полученная информация относительно общих режимов течения, связанных с кипением в ка­ нале, являлась очень ценной. Хьюитту [168] удалось преодолеть эти

трудности, применив специально сконструированную трубу, в которой восходящая пленка с помощью пористого инжектора создавалась на центрально расположенном стержне. На внешней стеклянной по­ верхности с помощью воздушной рубашки поддерживалась доста­ точно высокая температура, вследствие чего на ней не происходило

ния пузырей кризиса теплоотдачи на внутреннем стержне. Резуль­ таты этих исследований рассматривались в предыдущей главе.

Аналогичное оборудование применили Стин и Уоллис {334] при исследований уноса капель из стекающей водяной пленки, обтекае­ мой воздушным потоком. Создавая пленку на внешней стороне центральной трубки, можно визуально наблюдать на пленке про­ филь волн, не испытывая каких-либо помех со стороны двухфазной смеси. Основное преимущество канала прямоугольного сечения с одной обогреваемой стенкой состоит в том, что он дает возмож­ ность просматривать поток по нормали к нагреваемой поверхности и, если это наблюдение сопровождается одновременным наблюде­ нием с верхней стороны поверхности, можно получить значительно больше информации относительно процесса кипения. Прямоугольные каналы при исследовании использовали, например, Типетс {344], Фор {360] и Хослер [179]. Фор проводил опыты при атмосферном давлении, причем нагреваемая поверхность трубы наблюдалась только сверху, в то время как Типетс проводил эксперименты при высоком давлении (27,6 кгс/см2) и наблюдал поток по нормали к нагреваемой поверхности. Опыты Типетса показали, что кольцевое двухфазное течение возникает при относительно малом паросодержании. Однако по его фотоснимкам было трудно вывести какое-либо определенное заключение. Хослер {179] применил такой рабочий участок трубы, в котором можно было вести наблюдения и по нормали к нагреваемой поверхности, и сверху нее. В своей работе

3 5 8

линзы жестко связано с размером изображения, поэтому оно должно быть соответственно подобрано.

2. Эффективная апертура любой применяемой линзы ограничена физическими размерами окна, поэтому, например, при линзе с фо­ кусным расстоянием 20,32 см она должна быть ограничена размером //16 и при линзе с фокусным расстоянием 5,08 см — размером //4. Разумеется, это ограничение является дополиительным к лю­ бому эффективному изменению числа /, обусловленному мас­ штабом изображения.

Рис. 12.2. Фотоснимок кольцевого течения в осевом направлении.

в плоскости фокуса камеры, служащей для освещения.

Фотография волны возмущения, полученная с помощью этой ме­ тодики, также показана на рис. 12.2.

12.2.2. Методы, базирующиеся на измерении перепада давления

Трудности исследования потока методами визуального наблюде­ ния и фотографирования заставили экспериментаторов искать более надежные методы для изучения процессов перехода от одних режи­ мов течения к другим. Одним из вполне приемлемых методов является попытка найти зависимость режимов течения от того или иного измеряемого общего параметра, например градиента давления, или объемного паросодержания, или от изменения этих параметров

во времени. Исследование с целью проверки возможности использо-

361

рисунке не видно четкой закономерной связи между ходом кривой градиента давления и изменением режима течения. Эти выводы

были подтверждены Чоудри и др. [52], которые провели визуальные наблюдения и фотографирование потока и замерили градиент дав­ ления и колебания падения давления на длине 163 см в трубке диаметром 25,4 мм, в которой протекал воздушно-водяной поток. Результаты визуального наблюдения режима течения и измерений градиента давления представлены на рис. 12.4. Из рисунка видно, что определенной связи между ходом кривой градиента давления и границами режимов течения не существует. Заштрихованная зона

Рис. 12.5. Колебания потери давления в воз­ душно-водяном потоке в трубе диаметром 25 мм (по данным Чоудри и др. [52]).

на рис. 12.4 не может быть четко определена из визуальных наблю­ дений; колебания градиента давления, полученные Чоудри и др., показаны на рис. 12.5. По мере увеличения скорости газа от нулевого значения колебания градиента давления круто возрастают и при малых скоростях жидкости проходят через максимум, который при­ близительно соответствует переходу от снарядного режима к вспе­ ненному, а после установления в потоке кольцевого режима умень-

363

кообразно-кольцевого течения в некоторых областях, обозначенных Гриффитсом как снарядное течение. Вполне возможно, что при агло­ мерации уносимых капель возникает импульс на контакте зонда, хотя режим течения нельзя отнести к снарядному потоку в любом из его принятых определений.

В другом методе зондирования применяется проволочный ане­ мометр. Хсю и др. (182] применяли чувствительный элемент в виде

нагреваемой пленки, получаемый нанесением тонкого платинового покрытия на стеклянный цилиндр (диаметром 0,07 и длиной 3 мм) для образования электропроводящей пленки. Чтобы избежать корот­ кого замыкания в воде, чувствительный элемент был полностью покрыт слоем эпоксидной смолы; зонд был смонтирован в центре трубки с исследуемым потоком. Анемометр работал при постоянной температуре, в нем было использовано стандартное коммерческое оборудование, а ток, протекающий в зонде, служил мерой эффек­ тивности местного охлаждения. Исследуемая система представляла собой вертикальную стеклянную трубку, в которой происходило испарение текущей воды, подогревавшейся с помощью прозрачного электропроводящего покрытия, нанесенного на стенку трубки. По­ этому было можно одновременно производить высокоскоростную съемку и запись показаний анемометра. Хсю и др. [182] подробно рассмотрели связь между результатами, даваемыми этими двумя методами. Применение анемометра в исследованиях систем с высо­ ким давлением описано Шайниным и Катаржисом [313].

Методика, основанная на измерении с помощью проволочного анемометра, имеет те же самые недостатки, которые присущи ме­ тодике с применением электропроводящего зонда. По-видимому, оба эти метода мало помогут при изучении областей, труднодоступных для визуального наблюдения.

12.3.ИЗМ ЕРЕНИ Е ТОЛЩ ИНЫ ПЛЕНКИ Ж ИДКОСТИ

Поскольку в большинстве случаев рассматриваемые пленки жидкости сравнительно тонки (тоньше 2,5 мм), точное измерение их толщины довольно затруднительно. Для этой цели было предложено много разных методов; их можно разделить на три главные группы.

1. Методы осреднения толщины пленки. В этих методах изме­ ряется средняя толщина на значительной длине пленки жидкости. Эти методы предусматривают измерения с перекрытием потоков, по которым можно получить в любой момент среднюю величину толщи­ ны пленки на заданной ее длине. Методы, базирующиеся на электро­ проводимости пленки, обеспечивают получение средних величин как по длине, так и по времени.

2. Методы локализации. Эту группу составляют те методы, ко­ торые предусматривают местные измерения толщины пленки. Однако

по таким измерениям невозможно определить мгновенную толщину пленки в какой-либо точке. Эти методы базируются на радиоактив­ ном поглощении и излучении, электропроводимости зонда и замерах изменения емкости. Некоторые из этих методов (как, например, ме­ тод, базирующийся на электропроводимости зонда) позволяют по­

рые позволяют получать непрерывную или статистическую информа­ цию в одной точке пленки жидкости. Эта группа методов включает

365

методы с применением контактных игл, которые позволяют получать статистическую информацию о распределении толщины пленки, метод поглощения света, метод фотографирования и метод флуоресценции.

12.3.1. Методы осреднения параметров пленки

Метод с применением перекрытия потока. Этот метод заклю­ чается просто в изоляции части пленки жидкости, после чего эта изолированная жидкость сливается и определяется ее объем. Обзор ранних литературных источников об использовании этого метода для стекающих пленок дается Портальски Г281]. Этот метод при исследо­ вании восходящей пленки часто применяли Уиллис [381], Хьюитт [153], Говьер и др. [133], Куандт [286] и Хьюитт и Ловегрув [159]. Основная трудность применения этого метода состоит в обеспечении

Рис. 12.6. Расположение вентилей в системе для измерения толщины пленки методом пере­ крытия потока.

366