книги из ГПНТБ / Хьюитт Дж. Кольцевые двухфазовые течения

В этом последнем случае, возможно, лучше применить методы отбо­ ра проб (см. ниже) и проинтегрировать поток по сечению канала или замерить отдельно унос после удаления пленки.

измерения расхода в пленке. Устройство для измерения состояло из кольцевого зазора в стенке трубы с потоком, через который удаля­ лась из потока пленка. Уносимая жидкость, распределенная в газо­ вой фазе, проносилась мимо щели. Неизбежно часть газа заносилась в щель вместе с жидкостной пленкой, но при условии ограниченной

собой просто секцию трубы, сде­ ланную из пористого материала. Через эту секцию пленка жидкости

отсасывается в сборную камеру. Когда над пористой секцией прохо_дит большая волна, она замедляет движение и жидкость в пористой

части трубы собирается и измеряется. Длина пористой секции, не­ обходимая для замедления самой большой волны, может достигать 10—20 см. В периоды времени между волнами большая часть пори­ стой стенки остается сухой и пропускает газовую фазу в систему сбора. В этом случае количество собираемой жидкости через пори­

уноса. Уносимые капли, вероятно, перелетают пористую часть трубы и не заносятся в нее тон относительно малой частью общего газо­ вого потока, которая улавливается. Может оказаться необходимым произвести небольшую корректировку на величину диффузии капель через пористую стенку.

Метод с применением пористой стенки используется все шире и шире при исследовании течения пленки в системах с испарением [27, 167, 168, 331]. Для однокомпонентных потоков двухфазная смесь, отбираемая через пористую стенку, подается в теплообменник, где пар конденсируется. Количество пара, содержащегося в смеси, определяется из теплового баланса, а влияние расхода пара на рас­ ход жидкости, отбираемой через пористую стенку, можно исследо­ вать тем же способом, что и в случае двухкомпонентного потока. Другой метод состоит в добавлении трассирующей соли для того, чтобы можно было отличить поток жидкой пленки от конденсата пара, проходящего через улавливающее устройство (Можаров [258, 259]). В этом случае можно получить очень точные и воспроизводи­ мые замеры расхода потока в пленке. Станифорс и др. [331] рас­ пространили свои исследования на систему течения фреона в обла­ сти высоких массовых расходов и низкого паросодержания, но обнаружили трудность в установлении на кривой плато (т. е. обла­ сти инвариантности расхода отбираемой жидкости и расхода улавли­ ваемого пара).

Куандт [286], исследовавший массообмен капель, рассчитывал унос путем впрыска в жидкостную пленку в заданной точке крася­ щего вещества с последующим отбором проб пленки в ряде точек

вниз по потоку. Расход жидкости в пленке можно рассчитать из про­ стого массового баланса, зная расход вводимого красящего вещества

и вычисляя концентрацию красящего вещества в жидкой пленке в точке его впрыска. Последняя величина была рассчитана экстрапо­ ляцией результатов от взятых проб.

При больших массовых расходах, особенно в области с малым паросодержанием, граница жидкой пленки определяется очень плохо. Значительный унос пузырьков в жидкостном слое в сочетании с вол­ нистостью пленки делает поверхность раздела весьма неопределен­ ной. Поэтому расходу жидкости в пленке трудно приписать какоелибо определенное значение и, следовательно, трудно определить ве­ личину расхода капель, уносимых потоком.

12.4.2.Исследование методами отбора проб

иизокинетического ізонда

Метод отбора проб заключается в том, что местный расход по­ тока (обычно капель) замеряется путем ввода в канал зонда, имею­

щего открытое отверстие, обращенное навстречу потоку. Капли вхо­ дят в отверстие в зонде и выводятся из канала через соединительную трубу в систему, где измеряется их массовый расход. Обычно не­ большое количество газового потока следует отводить из трубы, иначе он будет выдувать жидкую фазу из зонда. Следует заметить, что количество собранной жидкости обычно не очень чувствительно к действительному количеству отбираемого газа [101, 372]. Наипро­ стейшим типом зонда для отбора проб является одноканальный зонд, состоящий из трубы, ориентированной таким образом, что капли свободно заходят в нее. С помощью такой трубы можно также из­ мерять динамическое давление, по которому можно вычислить мест-

3 7 8

к ошибке при определении уноса. Как видно на рис. 7.20, массовая скорость жидкости при кольцевом течении резко возрастает по мере приближения к стенке. Однако произвольный выбор пределов инте­ грирования в некоторых случаях может дать хорошее согласование с результатами, полученными методом удаления пленки [124, 372].

Точные измерения расхода жидкой пленки и уноса можно про­ водить в благоприятных областях, а именно в областях с малыми общими расходами и высокими весовыми па.росодержаниями. При уменьшении паросодержания и приближении к пределу для режима кольцевого течения или при увеличении массового расхода потока граница раздела между жидкой пленкой и зоной уносимой жидкости в центральной части канала становится все более неопределенной и измерения уноса постепенно затрудняются. В этой области метод удаления пленки для измерения расхода жидкости в пленке стано­ вится недостоверным и, по-видимому, лучше применить изокинетические зонды для измерения распределения полного потока. Однако метод изокинетического зонда не дает возможности определить, ка­ кая часть жидкости уносится, а какая течет в пленке. Область, наи­ более трудная для исследований, примыкает к области клочкообраз- ио-кольцевого течения.

счетчиков.

При применении метода фотографирования процедура состоит в фокусировке камеры на потоке капель и фотографировании его с достаточной разрешающей способностью, позволяющей непосред­

съемку, чтобы получить приемлемую четкость снимка. Для количе­ ственной оценки распределения размеров капель необходимо убе­ диться в том, что измеряются только те капли, которые лежат в плоскости фокуса. Это требование трудновыполнимо, особенно при наличии больших капель, но четкость фокусировки может быть под­ тверждена методом сравнения (Йорк и Стаббс [384]). При кольце­ вом течении необходимо удалить пленку жидкости, чтобы избежать оптической интерференции (Купер и др. [76]). Этот метод, несмотря на все трудности, связанные с его применением, и необходимость по­ лучения обширного материала по статистическому распределению,

все-таки еще остается наиболее точным из всех применяемых ме­ тодов. Другой класс оптических методов базируется на применении

метода Саутера [301]. Рассмотрим направленный луч света, прохо­ дящий через прозрачную среду, содержащую прозрачные сфериче­ ские включения с разными коэффициентами преломления. Луч, ко­ торый проходит через такое включение, будет отклоняться от первоначального направления, и с точки зрения приемника, располо­ женного далеко от взвеси, взвешенные частицы будут выглядеть как черные тела. Поверхность сферических включений на единицу

3 8 0

Объема взвеси аР может бытъ вычислена по общепринятой для фо­ тоослабления формуле

Если измерить объемную концентрацию включений, то можно опре­ делить их среднюю величину. Подробное описание метода и резуль­

а примеры его применения для измерения величины капли — Вермелепом и др. [356]. Следует заметить, что с помощью метода оптиче­ ской проницаемости можно измерить только некоторую среднюю ве­ личину, являющуюся средней величиной особого типа, и поэтому этот

цип состоит в отборе пробы брызг и измерении величины распреде­ ления с внешней стороны экспериментальной аппаратуры. Наиболее часто используемый метод отбора проб — применение пластин с по­ крытием из окиси магния. Пластина из стекла легко покрывается тонким мягким слоем окисла, если стекло подержать над пламенем горящего магния. Если теперь подставить пластину под поток ка­ пель,-то капли будут ударяться о ее поверхность и оставлять в окис­ ленном слое круглый след, который имеет диаметр, приблизительно на 8% больший диаметра капель. Хорошее описание метода дано Меем [250], а примеры его применения указаны Гарнером и др.

.[118] и Колбом [210]. При применении метода пластины с магние­ вым окислом (и в других методах со взятием проб) встречаются

следующие две проблемы:

1) необходимость изобретения удобного запорного механизма, позволяющего брать пробы, которые были бы и типичными, и имели требуемый размер;

2) избежание эффектов обтекания, благодаря которым капли не попадают на измерительную -пластину, а уносятся вместе с воз-' душным потоком вдоль кромки пластины.

Преимущество метода пластины состоит в том, что капли ма­ лых размеров следуют по линиям тока, и этот эффект может быть использован для разделения капель разной величины. Каскадный метод, построенный на этих принципах, описан Меем ]249] и Ран­

цем и Хофельтом [289].

Кроме этого метода, применяется метод взятия проб с исполь­ зованием вторичной жидкости. Так, на-пример, капли воды можно собрать, направив их в масляную фазу, а диапазон их размеров определить с помощью микроскопа. Эта методика применялась Фре­ зером и Эйзенкламом [111] и Тейтом [328].

Хотя Фрезер и Эйзенклам сумели показать, что при применении ими метода улавливания во вторичной жидкости слияние капель было мало или совсем отсутствовало, такое слияние можно пол­

жидкость легко затвердевает. Распределение капель по размерам, полученное с использованием этой методики для струи воска, опи-

381

Cano Джоусом [200], Bcficce и Воріпамом [375]. Методика замора­ живания капель была применена к водяным струям Тэйлором п Харманом [339], которые замораживали капли воды в гексане при —20 °С. Для определения размеров капель в этом случае применял­ ся метод осаждения.

К электронным методам определения размеров капель относит­ ся метод заряженного одиночного зонда, а также усовершенство­ ванный Виксом и Даклером [379] метод двух одновременно дей­ ствующих контактных зондов. В методе заряженного зонда в по­ ток капель помещается игла под высоким напряжением. Когда кап­ ля ударяется в зонд, она получает заряд того же потенциала и, таким образом, забирает импульс тока с зонда.

Анализируя распределение величины импульсов стандартными методами, можно получить распределение капель по размеру. Элек­ тронный анализатор брызг этого типа .описан Джестом и др. [120]. Дальнейшее усовершенствование прибора этого типа описано Уорком и Джефри [383]. Гардинер [116] описал более усовершен­ ствованный прибор. Метод заряженного зонда является пока что идеальным, поскольку он позволяет очень быстро определить размер капли и производить местные измерения, получая изменение данных как в пространстве, так и во времени. Однако с практическим при­

иглы в канале, находящиеся точно на заданном расстоянии друг от друга ориентированы нормально к потоку. Контакт между двумя иглами достигается в том случае, если капля коснется обеих игл одновременно. Для подсчета числа контактов в заданное время и при заданном расстоянии между иглами можно использовать элек­ тронный счетчик. Расстояние между иглами можно варьировать так, чтобы получать зависимость числа контактов в единицу времени от расстояния между иглами. Можно скорректировать полученные ре­ зультаты, применив теорию вероятностей, и получить распределение капель по размерам. Точность метода Викса и Даклера зависит от четкости отделения капель от игл после контакта.

системы к манометрам. Эти трудности возникают по той причине, что в линии от места отбора к манометру должна быть только

одна фаза потока, в противном случае возникает неизвестный фак­ тор, влияющий на стационарное, или «нулевое», показание мано­ метров. К сожалению, если линия подсоединения к системе за­ полнена жидкостью или газом, то волны давления в системе неизменно приводят к частичному заполнению линии второй фазой. В ранних работах AERE (Беннет и Торнтон [23], Кольер и Хьюигт [71], Хьюитт и др. [157]) были применены сепараторы, которые при­ соединялись к каждому штуцеру давления, а воздушные линии под­ водились к манометрам. Жидкость, втекающая в сепараторы в ре­ зультате пульсаций давления и изменения условий течения, время от времени выпускалась через дренажное отверстие. Эта система оказалась не совсем удачной и не позволяла производить точные из­ мерения малых разностей давления. В более поздних работах была

382

использована система, в которой через заборные отверстия проходил заданный поток или воды, или воздуха.

Следует заметить, что использование системы с заданным воз^- душным потоком является предпочтительным из-за более легкой установки манометров, но имеет три отрицательные стороны.

1. Образование воздушных пузырьков в жидкости требует по­ ложительного давления вследствие влияния поверхностного натяже­ ния (см., например, Дэвидсон и Шулер ![86]). Это давление в двух сравниваемых заборных отверстиях может оказаться разным.

2. Инжекция пузырьков воздуха в жидкость может вызвать на­ рушение структуры потока. Это особенно характерно для кольцевого течения с восходящей пленкой.

Рис. 12.15. Схема измерения перепада давления.

3 8 3

flow: liquid film thickness, phase and velocity distribution, pressure

velocity distribution measurements in two-phase near the wall of the

hydrodynamics with steam-water mixtures: phase and velocity distri­

flow phenomena. I. Pressure drop and hold-up for two-phase flow in

кипении в котлах высокого давления. Под ред. М. А. Стыриковича.

single bubbles, paper presented at Symposium on two-phase flow.—

3 8 5

18. B arn ett Р. G. А correlation of bornout data for uniformaiy heated annual: and its use for predicting burnout in uniformly heated

burnout in natural circulation two-phase flow: an experimental and theoretical study. Conference on Peaceful Uses of Atomic Energy,

33. Bioch M. R. Ion separation in bursting air bubbles: an expla­ nation for the irregular ion rations in atmospheric precipitations.—■ «Nature», 1966, p. 209, 802.

398