Hydrodynamics of free floating gas shells in inclined pipes with granular nozzle
- 作者: Pokusaev B.G.1, Nekrasov D.A.1, Karpenko A.S.1, Khramtsov D.P.1
-
隶属关系:
- Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)
- 期: 卷 6, 编号 2-4 (2012)
- 页面: 20-26
- 栏目: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/2074-0530/article/view/68227
- DOI: https://doi.org/10.17816/2074-0530-68227
- ID: 68227
如何引用文章
全文:
详细
The paper presents an experimental research on hydrodynamics of floating free gas shells in inclined pipes with granular nozzle in the systems gas-liquid and gas-liquid-solid particles. Working substances were water and ethanol. It is shown that the speed of ascent, depending on the angle, has nonmonotonic character and maximums of speeds, when adding a solid phase, shift in the direction of large angles of the handset relative to the horizon.
全文:
Проблема исследования микроструктуры и динамики двухфазных газожидкостных потоков в зернистых и пористых средах остается актуальной для целого ряда отраслей современной техники, таких, как химические и биотехнологии, теплоэнергетика, нефте- и газодобыча. Одной из таких проблем является задача гидродинамики движения газовых снарядов в наклонных трубах. Не смотря на довольно значительное количество работ в этой области, начиная с ранних экспериментальных [1] и заканчивая целым рядом современных [2, 3], остается много неисследованных вопросов, связанных с динамикой движения и процессами массопереноса при свободном и вынужденном всплытии газовых снарядов в засыпках. Одними из немногих работ в этой области являются экспериментальные работы [4, 5], в которых представлены результаты по скорости всплытия как одиночных пузырьков, так и газовых снарядов в вертикальных трубах. При этом работы по исследованию гидродинамических процессов в системе газ-жидкость-твердые частицы в наклонных трубах практически отсутствуют. Экспериментальный стенд для измерения скорости всплытия газовых пузырей Скорость всплытия газовых пузырей исследовалась на экспериментальном стенде, показанном на рисунке 1(а). Стенд состоит из вращающегося на 360° штатива 1, установленного на подшипнике 2. Рабочий участок 3 крепится с двух сторон зажимами 4. На нижнем конце трубки закреплен U-образный резиновый шланг 5. Шприц 6 предназначен для подачи газа определенного объема. На расстоянии ≈ 0,5 ÷ 0,7 м установлена видеокамера в нормальной плоскости по отношению к штативу. На трубку нанесена измерительная шкала с ценой деления 10 см. Подсветка обеспечивается матовыми светодиодными экранами 7, расположенными в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В качестве рабочего вещества использовались дистиллированная вода и этиловый спирт 96%. Эксперименты проводились на трубах с внутренним диаметром 11,8 мм и 24 мм. В качестве элементов засыпки использовались стеклянные шарики с диаметром 5, 7, 10 мм. На рисунке 1(б) изображена укладка засыпки из стеклянных шариков диаметром 10 мм в стеклянной трубке диаметром 24 мм. а б Рисунок 1 – Экспериментальный стенд для измерения скорости всплытия газовых снарядов в наклонных трубах: 1 – штатив; 2 – подшипник; 3 – стеклянная трубка; 4 – зажим; 5 – прозрачный резиновый шланг; 6 – шприц; 7 – подсветка Методика измерений Для измерения скорости всплытия газового снаряда использовался времяпролетный метод, суть которого заключается в следующем: на трубку наносятся деления с определенным шагом, при прохождении каждого деления фиксируется время. После чего методом компьютерной обработки с раскадровкой рассчитывается скорость движения снаряда. Шаг по углу наклона трубки относительно горизонта составляет 10°. В трубке d = 11,8 мм объем снаряда составлял 1 и 5 см3, а в трубке d = 24 мм – 10 и 20 см3. Длина измеряемого участка – 40 см. Порядок проведения эксперимента Перед опытом трубка заполняется жидкостью и устанавливается на нужный угол наклона. После чего в U – образный входной участок при помощи шприца вводится необходимый объем газа. Далее видеокамера включается в режим записи и снаряд запускается в основную часть трубки. Для стабилизации скорости предусмотрен входной участок длиной порядка 15 см. При прохождении снарядом начальной и конечной меток фиксируется время t1 и t2. После чего при помощи компьютерной обработки видеофайла вычисляется экспериментальная скорость по формуле: . (1) По полученным результатам строятся графики в системе координат угол наклона скорость. Экспериментальные результаты На рисунке 2 приведены результаты по скорости всплытия газовых пузырей различного объема в отсутствии засыпки. Из графиков видно, что зависимости скорости от угла наклона имеют экстремальный характер, при этом максимальные значения как для воды, так и этанола приходятся на угол ~ 30 ÷ 40 градусов. Показано также, что скорость зависит и от объема пузыря для обеих жидкостей. Однако, когда сечения пузыря и трубки в плоскости перпендикулярной направлению движения начинают совпадать, дальнейшее увеличение объема пузыря не приводит к изменению скорости при прочих равных условиях и задачу можно рассматривать, как слив жидкости из трубы бесконечно большой длины. Данные по скоростям подъема хорошо соответствуют качественно и количественно результатам, полученным в [1, 6] для данного диапазона диаметров труб. Рисунок 2 – Экспериментальная зависимость скорости всплытия газового снаряда от угла наклона трубки диаметром 11,8 мм: 1 – этанол, пузырь 5 мл; 2 – этанол, пузырь 1 мл; 3 – вода, пузырь 5 мл; 4 – вода, пузырь 1 мл; точки – эксперимент, кривая – расчет по формуле (2) На рисунке 2 представлены также расчетные значения скорости всплытия, полученные по следующей методике. Скорость рассчитывалась по представленной в [7] формуле: , (2) где R – радиус кривизны мм; В – константа (В = 25); – угол наклона между осью трубы и горизонтом, град; d – внутренний диаметр трубы, мм; g – ускорение свободного падения, м/с2; – безразмерный параметр. Для определения кривизны поверхности снаряда, всплывающего в наклонных трубах, использовались результаты цифровой видео- и фотосъёмок. Съёмка проводилась сразу в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (главные нормальные сечения канала). Основные измерения кривизны проводились в трубе диаметром 11,8 мм. Кривизна поверхности определялась во всех точках поверхности раздела фаз однако, для дальнейшего анализа использовалось усреднённое значение кривизны в окрестности вершины пузыря — критической точки. Это связано с тем, что кривизна в окрестности критической точки наиболее полно отражает изменение формы снаряда в зависимости от угла наклона и диаметра канала, а также свойств жидкой и газовой фаз. Кривизна поверхности пузыря в окрестности критической точки определяется как средняя кривизна : , (3) где: , – главные радиусы кривизны (k1 , k2 – кривизна линий сечения поверхности плоскостями главных нормальных сечений xy и xz, соответственно). Кривизна линий сечения поверхности снаряда плоскостями главных нормальных сечений равна: , (4) где: и – параметрические функции, – параметр. В настоящей работе для описания поверхности пузыря используются неравномерные рациональные билинейный сплайны (NURBS), которые хорошо зарекомендовали себя для описания сложных кривых и поверхностей [8]. Кроме того, в приближении эллиптичности поверхности снаряда в его поперечном сечении, программа позволяет восстановить его трёхмерную геометрию. В качестве примера на рисунке 3 представлена геометрия пузыря, всплывающего в трубе диаметром 24 мм, наклонённым под углом 20 градусов. Здесь же точками показан экспериментальный контур головки пузыря в плоскости x-y. Рисунок 3 – Трёхмерная геометрия снаряда в наклонном канале, d = 11,8 мм, α = 20 градусов; точки – эксперимент, плоскость x – y На рисунке 4 приведены экспериментальные значения по скоростям в зависимости от угла для трубки с внутренним диаметром 24 мм. Из рисунка видно, что порядок скоростей выше, чем для трубки d = 11,8 мм. Заметим также, что вклад капиллярных сил здесь заметно меньше. Рисунок 4 – Скорость всплытия газового снаряда в зависимости от угла наклона: диаметр трубки – 24 мм, рабочее вещество: 1– этанол; 2 – вода На рисунке 5 представлены экспериментальные результаты скорости всплытия газовых снарядов при различных углах наклона трубки диаметром 24 мм относительно горизонта в присутствии твердой фазы (стеклянные шарики диаметром 5 мм). Видно, что характер зависимости скорости от угла наклона трубки так же, как в системе газ-жидкость, имеет немонотонный вид. Однако максимум скорости смещается в сторону больших углов ~ 60-70°. Важным результатом является также то, что с добавлением твердой фазы, скорость всплытия газового снаряда в воде становится выше, чем в этаноле. По-видимому, это означает возрастающую роль капиллярных сил. Влияние капиллярных чисел в двухфазных системах достаточно хорошо разобрано в [7], там же выдвинуты гипотезы, объясняющие такой характер зависимости скорости от угла наклона. Основная идея в [7] состоит в том, что с изменением угла наклона трубки вместе со скоростью всплытия газовый снаряд меняет свою форму. α, град V, мм/с Рисунок 5 – Скорость всплытия газового снаряда в зависимости от угла наклона в зернистом слое: диаметр трубки – 24 мм, рабочее вещество: 1 – вода; 2– этанол; диаметр шариков 5 мм На рисунках 6 и 7 приведены экспериментальные значения скоростей подъема в присутствии шариков диаметром 7 и 10 мм соответственно. Из рисунка 6 видно, что, как и на предыдущем графике, скорость всплытия газового пузыря в воде выше, чем в этаноле. Рисунок 6 – Скорость всплытия газового снаряда в зависимости от угла наклона в зернистом слое: диаметр трубки – 24 мм, рабочее вещество: 1 – вода; 2– этанол; диаметр шариков 7 мм Приведенные на рисунке 7 данные для диаметра засыпки 10 мм показывают, что значения скорости всплытия в этаноле становятся выше, чем в воде. Из рисунка 8 видно, что значения максимальных скоростей в зависимости от диаметра шариков для воды монотонно убывают, и при этом для этанола значения скорости имеют максимум в районе dш = 10 мм, что объясняется различием физических свойств. Выявленная особенность имеет важную роль для дальнейшего моделирования процессов абсорбции в системах такого рода. α, град V, мм/с Рисунок 7 – Скорость всплытия газового снаряда в зависимости от угла наклона в зернистом слое: диаметр трубки – 24 мм, рабочее вещество: 1 – вода; 2– этанол; диаметр шариков 10 мм Рисунок 8 – Максимальные значения скоростей газожидкостного потока в зернистой среде. Диаметр трубки – 24 мм. Рабочее вещество: 1– этанол; 2 – вода Выводы Исследована гидродинамика всплытия газового пузыря в наклонных трубах различного диаметра. Показано, что в системе (газ-жидкость) скорость всплытия газового снаряда не зависит от объема газа с момента, когда снаряд заполняет все сечение трубки. Видно, что в системе (газ-жидкость-твердые частицы) скорость выше, чем в системе (газ-жидкость). Выявлено также, что максимум скорости в присутствии засыпки смещается в сторону больших углов. Скорость всплытия газового снаряда в двухфазной системе при использовании этанола в качестве рабочего вещества выше, чем при использовании дистиллированной воды. В трехфазных системах эта закономерность наблюдается только в тех случаях, когда диаметр шариков менее ≈ 8 мм. При дальнейшем увеличении диаметра шариков максимумы скоростей монотонно убывают, при этом скорость всплытия снаряда становится выше в этаноле.×
作者简介
B. Pokusaev
Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)Corr. RAS
D. Nekrasov
Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)Ph.D.
A. Karpenko
Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)
Email: artem-karpenko@list.ru
D. Khramtsov
Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)
参考
- Zukoski E.E. Motion of long bubbles in closed tubes // J. Fluid Mech. 1966. V. 25. № 4. P. 821.
- Taha T., Cui Z. F. CFD modelling of slug flow in vertical tubes // Chem. Eng. Sci. 2006. V. 61. P. 676.
- Абиев Р.Ш. Моделирование гидродинамики снарядного режима течения газожидкостной системы в капиллярах // ТОХТ. 2008. Т. 42. № 2. с. 115.
- Покусаев Б.Г., Зайцев А.А., Зайцев В.А. Процессы переноса в снарядном режиме течения трёхфазных сред // ТОХТ. 1999. Т. 33. № 6. с. 595
- Покусаев Б.Г. Процессы переноса в многофазной среде//ТОХТ, 2007. Т. 41. № 1. с. 35.
- Серавин А.С., Карпенко А.С. Измерение скорости движения газовых снарядов в наклонных трубах // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2010. № 11. с. 4 – 5.
- Покусаев Б.Г., Казенин Д.А., Карлов С.П., Ермолаев В.С. Скорость движения газового снаряда в наклонных трубах // ТОХТ. 2011. Т. 45. № 5. с. 550.
- Piegl L., Tiller W. The NURBS Book. 2nd ed. Springer-Verlag Berlin. 1997.