Modeling of electromagnetic field in the resonator with regard to the measurement of the fuels water cut

Full Text

Интенсивное развитие современной авиационной техники диктует особые требования к качеству используемых топлив, от которых в частности зависит безаварийная эксплуатация и долговечность работы. Так, при подготовке летательного аппарата к вылету берется образец топлива из точки слива топливного бака. Вода в топливе может находиться в растворенном виде (это гигроскопичная вода), в виде взвешенных мельчайших капелек (эмульсионная вода) и в виде отдельной жидкой фазы – свободная вода, которая попадает в топливо в результате ненадлежащих методов хранения, транспортировки и заправки летательных аппаратов, в результате прямого попадания дождя, снега и т.д. [1]. Гигроскопическая вода попадает в топливо в результате поглощения топливом из атмосферы паров воды, которые затем удерживаются в ней силами межмолекулярного взаимодействия. Гигроскопичность – процесс самопроизвольный. Это является основной причиной обводнения топлив. Количество воды, растворяемой топливом, зависит от группового состава: ароматические углеводороды самые гигроскопичные из всех углеводородов. Их гигроскопичность в 10 раз выше, чем парафинов. Гигроскопичность топлива зависит от фракционного состава: с увеличением молекулярной массы (с увеличением плотности) растворимость падает (бензины лучше растворяют в себе воду, чем керосины); кроме того, она зависит от температуры (её растворимость уменьшается при понижении температуры топлива); от влажности (с повышением концентрации паров воды в воздухе её растворимость повышается). Вода в топливе накапливается не только при похолодании, но и при потеплении. В этом случае масса топлива в ёмкости, ввиду её тепловой инерционности, некоторое время остается холоднее окружающего воздуха, поэтому на зеркале топлива, как на любой холодной поверхности, происходит конденсация водяных паров из воздуха, и в топливе образуются взвешенные мелкие капли воды или кристаллики льда. Обводнение топлив – факт, с которым нельзя не считаться. Воде свойственно переохлаждение до – 40 оС, и при прокачке топлива она при ударе о фильтр превращается в кристаллы льда, которые забивают фильтр, нарушая, а может быть, и прекращая подачу топлива. При охлаждении топлива капли эмульсии и отстой могут замерзнуть, закупорить жиклеры автоматических устройств, вызвать примерзание клапанов регулировочных агрегатов, заклинивание крыльчатки или поломку приводов насосов. В условиях резкого колебания температур растворенная вода переходит в эмульсионную (в виде мельчайших капелек воды, находящихся во взвешенном состоянии). Вода особенно опасна, т.к. в зимних условиях она превращается в кристаллы льда, забивает фильтры, создавая тем самым аварийную ситуацию. Содержание свободной воды 0,002% уже опасно! Её содержание в топливе приводит: · к нарушению гомогенности топлива (появляется твёрдая фаза – кристаллы льда); · к забивке фильтров – нарушается подача топлива или прекращается совсем; · к снижению смазывающей способности топлива, что вызывает сухое трение, приводящее к задирам и преждевременному износу летательного аппарата; · к усилению химической и электрохимической коррозии; · к повышению коррозионной активности органических кислот. Топливная аппаратура тракторных дизелей также очень чувствительна к чистоте топлива, в котором могут содержаться различные виды загрязнений: твёрдые, жидкие, газообразные, микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности. Загрязнённость топлива приводит к преждевременной забивке топливных фильтров и преждевременному износу. При отрицательной температуре микрокапли воды приводят к обмерзанию фильтров, что может привести к полному прекращению подачи топлива. Кроме того, вода способствует процессу коррозии. Результаты исследований по влиянию содержания воды в топливе на работоспособность плунжерных пар показывают, что содержание воды в топливе до 3 % не приводит к заметному ухудшению работоспособности плунжерных пар, наступающему вследствие ухудшения противоизносных и противозадирных свойств топлива. Оно наблюдается при содержании воды в топливе свыше 3 % и может привести к ускоренному износу пар и их заклиниванию. Вместе с тем, при содержании воды в топливе свыше 0,5 % уже наблюдается их коррозионное разрушение [2]. Известные косвенные методы – механические, радиометрические, оптические, теплофизические [3, 4] обладают или низкой чувствительностью, или требуют сложной дорогостоящей реализации, или субъективны. Так, авиационный керосин перед непосредственной заправкой в баки и перед вылетом контролируется на предмет «следов» осажденной влаги методом визуального контроля. Как известно, интегральные характеристики СВЧ резонансных систем с распределенными параметрами: резонансная частота, добротность – весьма чувствительны к изменению электрофизических характеристик сред, частично заполняющих объемный резонатор. В статье представлены результаты моделирования электромагнитного поля (ЭМ) резонатора с возмущающим объемом в виде керосина со свободной влагой в виде осадка. Моделирование проведено методом конечных элементов в системе ANSYS при следующей геометрии резонатора и его заполнения (рисунок 1): диаметр резонатора – 75 мм, высота – 103.7 мм; высота керосина с водой – 34.6 мм, высота слоя воды под керосином – 1мм – показало следующие результаты (рисунок 2). Рисунок 1 – Геометрия резонатора и заполнения: диаметр – 75 мм, высота – 103.7 мм; высота керосина с водой – 34.6 мм, высота слоя воды под керосином – 1 мм a б Рисунок 2 – Электрическое поле моды Н011 (а) и Поверхностные токи резонатора с модой Н011 (б) в возмущенном резонаторе Электрическое силовые линии пустого резонатора с колебанием Н011 – это замкнутые концентрические окружности, поле максимально посередине длины резонатора. На стенках протекает поверхностный ток: на торцевых стенках – кольцевой ток, плотность которого равна нулю в центре и у боковых стенок. По боковым стенкам резонатора также течёт кольцевой ток, плотность которого максимальна в среднем сечении. Возмущение в виде слоев керосина и воды приводит к тому, что возмущенный объем начинает концентрировать поле (поле максимально на границе воздух-керосин – рисунок 2а), при этом концентрация увеличивается при увеличении диэлектрической проницаемости керосина (относительная диэлектрической проницаемости керосина изменяется в пределах 2,1-2,3). Поверхностный ток торцевой стенки со слоем воды на порядок больше поверхностного тока другой торцевой стенки (рисунок 2б). Перераспределение поверхностных токов в возмущенном резонаторе по сравнению с пустым объёмными резонаторами изменяет парциальную добротность, вызванную потерями в стенках. Таким образом, наблюдается неконтролируемое изменение электрического поля и добротности пустого резонатора. Для устранения названных недостатков предлагается сливать керосин и исследовать тонкий слой влаги на нижней торцевой стенке. Был исследован объемный резонатор с осадком в виде влаги на дне. Возбуждающая петля в резонаторе выступает от плоскости боковой стенки примерно на 1,5-2,0 мм, рис. 4. Это обеспечивает фильтрацию всех колебаний, кроме Н011 в диапазоне от 2,56 до 4,0 ГГц (диапазон изменения частоты генератора Г4-80). Это проверено экспериментально. Резонансная частота колебания Н011 пустого резонатора равна 2707,3 МГц, а добротность – 10218 (внутренняя поверхность резонатора посеребрена, это видно на рисунке 4). Резонансная частота колебания Н013 − f = 4804 МГц, добротность − 2871. Рисунок 4 – Внешний вид исследуемого резонатора с колебаниями Н011 и Н013 В резонатор дозированно добавлялась вода (на нижнюю торцевую стенку) от 1 мл до 10 мл, измерялась частота и нагруженная добротность по уровню “0,5” показаний микроамперметра. Объем влаги был пересчитан исходя из геометрических размеров резонатора в эффективную высоту влаги. Наличие тонкого слоя влаги на нижней торцевой стенке резонатора структуру поля мод Н011, Н013 и Е010 практически совершенно не искажает. Наличие тонкого слоя почти не изменяет резонансную частоту колебаний (частота остается в пределах полосы задержания ненагруженной системы), а добротность изменяется значительно. Рисунок 5 – Внешний вид исследуемого резонатора с колебанием Е010 Для исследования колебания Е010 резонатора с тонким слоем влаги на нижней торцевой стенке использовался объемный резонатор, который изображен на рисунке 5. Его размеры: длина – 50 мм, диаметр – 9 мм. Резонансная частота колебания Е011 пустого резонатора равна 2550 МГц, а добротность – 1850. На рисунке 6 показаны экспериментальные значения нагруженной добротности резонатора с колебаниями Н011 , Н013 и Е010 от объемной концентрации влаги в осадке %V. Объемная концентрации влаги в осадке V% рассчитывалась как отношение эффективной высоты влаги lэф к высоте резонатора lОР: . а) б) Рисунок 6 – Зависимость нагруженной добротности резонаторов от объемного влагосодержания в осадке: а – для колебаний Е011 и Н013; б – Н011 До концентрации порядка 0,4% информативным параметром может служить изменение добротности колебания Е011 в диапазоне порядка 0,4 − 2% – изменение добротности колебаний. Н011 и Н013. Это объясняется тем, что электрические силовые линии колебаний Н011 и Н013 замкнуты и имеют только одну радиальную составляющую Еj, которая у торцевой стенки равна нулю, а электрическое поле Еz колебания Е010 равномерно по длине резонатора, поэтому колебание Е010 будет обладать большей чувствительностью к наличию влаги в осадке. Таким образом, исследование только осадка жидкого углеводорода устраняет влияние изменения растворенной влаги в жидких углеводородах, объемная доля которой зависит от температуры, атмосферного давления, типа углеводорода. Наличие тонкого слоя влаги на нижней торцевой стенке резонатора структуру поля мод Н011 , Н013 и Е010 практически не искажает. Наличие такого тонкого слоя практически не изменяет резонансную частоту колебаний (частота остается в пределах полосы задержания ненагруженной системы), а добротность (за счет изменения эффективной проводимости нижней стенки) изменяется значительно. С увеличением добротности пустого резонатора пропорционально увеличивается чувствительность к содержанию свободной влаги. Приведенные исследования позволяют сделать вывод о принципиальной возможности применения объемных резонаторов для определения свободной влаги в полевых условиях.

About the authors

G. A. Kardyshev

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: gkardashev@yandex.ru
Dr.Eng., Prof.

A. L. Shatalov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Dr.Eng., Prof.

M. A. Suslin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D.

References

Supplementary files