Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Визуализация течения жидкости в каналах. Монография
.pdf
Об устойчивости течения в каналах сборки
n
V
1
dF
dG
1
dF
ξ
где
— проекция вектора скорости фильтрации на нормаль
к торцевым поверхностям 0Ф и LФ .
Визуальные наблюдения за картиной течения в макете с про-
филированными торцами показали: после прекращения подкраски воды все части шарового слоя одновременно становились
прозрачными, темные пятна на краях засыпки отсутствовали
(рис. П4).
Об устойчивости течения в каналах сборки
Математическая модель движения теплоносителя в насып-
ной сборке с параболическими линиями тока в топливном слое
позволила определить направление фильтрации в зависимости
от формы распределительного
2
−=
D
ξ
0
>
(П1)
11
(П2)
и отводного
каналов.
sign
dx
min
sign
2
dx
F
−
FD
dx
2
Здесь: G — расход жидкости в канале; D — гидравлический
диаметр канала; ξ — коэффициент гидравлического сопротивления канала; F— проходное сечение канала; x — продольная
координата; индексом 1 отмечены величины, относящиеся к распределительному каналу, индексом 2 — к отводному.
Из выражения (П1) следует, что тепловыделяющие сборки,
проходные сечения распределительных каналов которых описываются монотонно убывающими функциями, наиболее работоспособны: у них отсутствует локальный подсос теплоносителя из топливного слоя обратно в раздающую магистраль.
Для таких устройств при выполнении условия (П2) по всей
высоте насыпной сборки происходит вдув теплоносителя в отводной канал. При наблюдении за течением воды в плоском
11
dxdF
ПРЕДИСЛОВИЕ.
Визуализация течения в насыпных сборках
Рис. П5. Потеря устойчивости движения
жидкости в распределительном канале
плоского макета насыпной ТВС;
иллюстрация осциллирующего вихря
макете ТВС со знакопеременными
Рис. П6. Фрагмент отводного канала
плоского макета насыпной ТВС;
иллюстрация шаровой завихренности
было установлено,
2,1
что в области, где правая часть выражения (П1) больше нуля
происходит подсос воды из слоя в распределительный канал.
Это приводит к зарождению осциллирующего вихря (рис. П5),
который хаотически колеблется вдоль магистрали с довольнотаки большой амплитудой; поток имеет все признаки потери
устойчивости движения. В отводном канале при нарушении
условия (П2) образуется шаровая завихренность (рис. П6),
но само течение спокойное.
Работа входного устройства монокассетного реактора
Наличие устойчивого и псевдоустойчивого состояний фильтрации газа в тепловыделяющем слое и возможные неконтро-
12
Работа входного устройства монокассетного реактора
Рис. П7. Иллюстрация равномерного
распределения жидкости по кольцу
входного устройства
Рис. П8. Иллюстрация генерации входным
устройством тороидальной вихревой
пелены
лируемые переходы во время работы реактора из одного такого
состояния в другое в результате термомеханической неустойчивости препятствуют организации равномерной раздачи теплоносителя по окружности слоя, которая соответствует рациональному теплосъему.
Возложив обязанности по распределению потока газа вме-
сто слоя на специальное входное устройство с каналом формы
«улитки» (см.рис. П2) можно решить проблему устойчивой
равномерной раздачи газа. Экспериментально и теоретически
показано, что такое входное устройство препятствует образованию и росту динамических возмущений переменной величины, и, тем самым, вместе с распределительным и отводным
каналами обеспечивают устойчивость распределения потока
теплоносителя по поверхности топливного слоя. В этом случае сохраняется компактность аппарата и повышается его надежность.
Следует отметить, что обычный ресивер является пассив-
ным элементом и не стоит на пути зарождения и распространения возмущений.
Для демонстрации устойчивой равномерной раздачи был из-
готовлен макет входного устройства из оргстекла, «пористая»
стенка которого имела сравнительно низкое гидравлическое
сопротивление. Но и в этих преднамеренно ухудшенных условиях магистраль формы «улитки» обеспечила по окружности
13
ПРЕДИСЛОВИЕ.
Визуализация течения в насыпных сборках
равномерное распределение потока жидкости (рис. П7) в широком диапазоне изменения входного расхода.
Генерируемая этим устройством тороидальная завихренность (рис. П8) распространяется по потоку, турбулизируя его
в распределительном канале, и тем самым обеспечивает работоспособность реактора при подаче расхода теплоносителя
отличного от номинального. Снимки (см. рис. П7 и рис. П8)
демонстрируют также успешное решение задачи идеального
слияния потоков. На входе-выходе жидкости из улиточной магистрали в ТВС, т. е. в области их стыка, турбулентность отсутствует.
В свете изложенного выше, можно отметить, что визуализация течений является мощным научным инструментом. Поэтому монография Деменка С. Л., Медведева В. В. и Сивухи С. М.
«Визуализация течения жидкости в каналах» представляет значи-
тельный практический и научный интерес. Представленные в книге
сведения важны и как иллюстрация разных гидродинамических явлений, и как пример органичной связи теоретических моделей и их
практического воплощения.
Зам. директора Института энергетики
Национальной академии наук Беларуси, доктор физ.-мат. наук
Колос В. П.
ВВЕДЕНИЕ
INTRODUCTION
В этой книге рассматри-
вается визуализация течения в каналах. В ней собраны фотографии разных
гидродинамических явлений,
но основное внимание уделено
вопросам обеспечения безвихревого течения в проточных
частях теплообменных аппаратов и энергетического оборудования. Снижение потерь
энергии на вихреобразование
повышает энергетическую эффективность указанных объектов и позволяет осуществить
процесс энергосбережения.
Авторы также признают важное место вихревых и отрывных течений в процессе интенсификации теплообмена,
поэтому в книге приведены
фотографии и таких потоков.
Как справедливо указано в предисловии редакторов перевода альбома течений жидкости
This book examines visualizations of flow in channels.
There are pictures of different
hydrodynamic phenomena, but
most of the focus is on the issues of ensuring an irrotational
flow in flow channels of heat
exchangers and energy equipment. Reduction of energy loss
in vortex formation increases
the energy efficiency of the
specified objects and allows for
energy-saving process. The authors also acknowledge the important place of eddying flows
and slipstreams in the process of
heat exchange intensification,
so the book is illustrated with
are photos of such flows. As it is
rightly stated in the preface by
the editor, who translated the album of liquid and gas flows [1],
pictures of flows can be successfully applied both in the
learning process, when the lev-
15
Введение
и газа [1], фотографии потоков
могут с успехом применяться
как в учебном процессе, когда
поднимается уровень понимания обучающихся важнейших
моментов гидродинамических
теорий и моделей и формируется гидродинамическая интуиция, так и в работе зрелых
специалистов, для которых
фотографии являются поводом
задуматься над новыми исследованиями. Полученные модели потоков и результаты их
визуализации могут быть распространены на широкий класс
технических решений. С середины 1980-х годов изучение
гидродинамики потоков в проточных частях энергетических
машин и оборудования велось
на кафедре Теплофизических
основ судовой энергетики Ленинградского кораблестроительного института (ЛКИ) под
руководством профессоров
Э. Г. Нарежного, Н. Н. Сунцова и доцента Б. В. Сударева.
Авторы, в то время аспиранты, проводили теоретические
и экспериментальные исследования, которые легли в основу
настоящей книги.
Следует отметить, что так-
же в ЛКИ визуализация тече-
el of understanding of students
approaches to important points
of hydrodynamic theories and
models, and a hydrodynamic
intuition is formed, and in the
work of the mature profession-
als for whom these pictures are
the reason to reflect on the new
research. The flow models ob-
tained and the results of their
visualization can be distributed
to a wide range of technical so-
lutions. Since the mid-1980 ‘s,
the study of the hydrodynamics
of flows in stream paths of en-
ergy machinery and equipment
was conducted at the Depart-
ment of Thermophysical prin-
ciples of ship energetics, Len-
ingrad ship-building institute
(LSI), led by professors E. G.
Narezhny, N.N. Suntsov, and
associate professor B.V. Su-
darev. The authors, while being
graduate students, conducted
theoretical and experimental re-
search that formed the basis of
this book.
It should be noted that there,
at LSI, visualization of flows in
the vessel’s pipelines was carried out under supervision of
Professor M.G. Guskov in the
laboratory of ship systems; in
particular a part of the research
16
Introduction
ний в судовых трубопроводах
проводились под руководством
профессора М. Г. Гуськова
в лаборатории судовых систем,
в частности часть исследований выполнил Л. А. Федосеев, которому авторы признательны за предоставление
использованных в монографии
фотографий потоков в трубопроводе типа тройника.
В первой главе монографии приведена историческая
справка об изучении оптически
активных жидкостей (ОАЖ)
и рассмотрены вопросы, связанные с выбором таких жидкостей, их свойствами, методикой
исследования картин движения
жидкости. Приведено описание
стенда по визуализации потоков
и принципа его работы, а также
его модификации, позволяющей получать количественные
данные о поле скоростей жидкости в исследуемых каналах.
Показаны примеры визуализации потоков.
Вторая глава монографии
посвящена рассмотрению вопросов теоретического описания гидродинамики течения
в каналах. В частности определены составляющие и потенциалы скоростей, а также
was accomplished by L.A. Fedoseev, to whom the authors
are grateful for the provision
of flow photos in the tee type
pipeline used in the monograph.
The first chapter of the book
provides historical background
on the study of optically active
liquids (OAL) and studies issues related to the selection of
such liquids, their properties,
and methods of research of
fluid movement pictures. There
is a description of a stand for
flow visualization and its operating principle, as well as
its modification, which allows
obtaining quantitative data on
the field of fluid velocities in
the studied ducts. Examples
of visualization of flows have
been presented.
The second chapter of the
book is devoted to the issues
the theoretical description of
the hydrodynamics of flow in
channels. In particular, there
are defined velocity components and potentials, as well
as flow functions for two-dimensional and axisymmetric
flows in channels with undulating and monotonously differing and converging walls.
17
Введение Introduction
функции тока для плоских
и осесимметричных потоков
в каналах с волнообразными
и монотонно расходящимися
и сходящимися стенками. Показана возможность корректного переноса характеристик
плоских каналов, удобных для
визуализации, на осесимметричные. Рассмотрены течения
в носовой части дефлекторной
лопатки и во внутренней полости лопатки с поперечными
перегородками.
В третьей главе монографии
приведены примеры технических устройств, спроектированных с учетом или на основе
результатов визуализации потоков в их проточных частях
или каналах.
Авторы признательны всем,
кто способствовал появлению
данной монографии. Особенно хочется поблагодарить рецензентов за труд по прочтению рукописи. Их замечания
и предложения оказались весьма полезными.
A possibility of how to correctly transfer characteristics
of two-dimensional ducts,
suitable for visualization, to
axisymmetric ones has been
shown. The flows in the bow
of the deflection blade and in
the internal cavity of the blade
with cross ridge partition have
been studied.
In the third chapter of the
book there are examples of
technical devices designed with
or on the basis of the results of
the visualization of flows in
their flow parts or ducts.
The authors are grateful to
all who contributed to the preparation of this monograph. Especially we would like to thank
the reviewers for their work on
the reading of the manuscript.
Their comments and suggestions have been very helpful.
ГЛАВА I.
ОПТИЧЕСКИ АКТИВНАЯ ЖИДКОСТЬ.
ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА
ВИЗУАЛИЗАЦИИ
1.1. История вопроса
Впервые двойное лучепреломление (ДЛП) наблюдал Максвелл в 1866 г. при ламинарном движении канадского бальзама между скрещенным поляризатором и анализатором [2].
Им было высказано предположение, что ДЛП вызывается
чистым сдвигом, когда оба главных нормальных напряжения
равны по величине и противоположны по знаку. По мере появления новых опытных данных по результатам исследований
в поляризованном свете движущихся потоков теория ДЛП получает дальнейшее развитие.
Сравнительно подробный обзор работ в области исследования ДЛП и его применения для решения практических задач
содержится в работе А. Д. Михайлова [3], который на основе опытных данных пришел к выводу, что для ДЛП жидкостей, состоящих из палочкообразных частиц, вызывается как
напряжением вдоль линий скольжения (по Максвеллу), так
и ориентацией частиц в направлении движения потока, и предложил методику построения скоростей по наблюдаемой изохроматической картине. Он проводил исследования с помощью
19
ГЛАВА I.
Оптически активная жидкость. Описание процесса визуализации
коллоидного раствора пятиокиси ванадия, который привлек
пристальное внимание исследователей в связи с высокой опти-
ческой активностью.
Первые попытки использовать явление ДЛП для исследования условий течения потока относятся к началу прошлого века.
Так, в 1905 г. В. А. Бернадский [4] изучал двойное преломление прованского масла под давлением 0,15—0,3 МПа. В канале прямоугольного сечения, ось которого была перпендикулярна плоскополяризованному лучу света. Результаты своих
опытов автор объяснил теорией Максвелла о действии на каждую частицу движущейся жидкости чистого сдвига. Опыты В. А. Бернадского с прованским маслом повторил позднее
А. Д. Михайлов [3], используя вместо плоского поляризованного луча, поляризованный по кругу луч. Кроме прованского
масла он использовал коллоидный раствор пятиокиси ванадия
5%-ной концентрации для изучения движения жидкости при
обтекании цилиндрического тела плоским потоком. Цилиндр
представлял собой стеклянный диск диаметром 3,8 мм, помещенный в плоский канал. Слой жидкости был равен 1,5 мм
и набегал на цилиндр со скоростью 10,8 см/с. А. Д. Михайлов
подтвердил возможность применения поляризационно-оптического метода в условиях плоского потока для построения
не только качественной, но и количественной картины распределения скоростей в ламинарном потоке, для установления места отрыва струй при обтекании тела любой плоской
конфигурации, при отыскании рациональной формы обтекания тела.
По поводу использования явления ДЛП в исследованиях турбулентных потоков А. Д. Михайлов ошибочно полагал,
что эффект ДЛП будет неопределенным и может изменяться
от нуля до максимума без всякой связи со скоростным градиентом, так как при турбулентном движении по пути проходящего
луча ориентация частиц нерегулярна, и поляризационный свет
пересечет частицы жидкости, ориентированные различным образом.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]