ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 6, с. 954-960
УДК 532.546 + 532.55
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ (СМЕСИ И СТРУИ) В ЗАСЫПКАХ С ШАРОВЫМИ ЧАСТИЦАМИ
© 2004 г. Г. А. Филиппов, Л. Э. Меламед, В. П. Мастшкин, М. В. Кондитеров, А. И. Тропкина
Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт атомного энергетического машиностроения (ВНИИАМ), Москва Поступила в редакцию 19.03.2004 г.
Проведено экспериментальное исследование течения двухфазных потоков через засыпки, состоящие из шаровых частиц. Поток представлял собой либо заранее перемешанную газоводяную смесь, либо струю газа в воде. Получены зависимости потерь давления от основных характеристик потока. Предложена формула для оценки суммарных потерь давления двухфазной среды в засыпках. Для струйного течения двухфазной среды проведено исследование угла раскрытия струи газа в зависимости от отношения скоростей фаз. Приводятся некоторые оценки физической картины процесса перемешивания фаз.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование гидродинамических процессов при движении двухфазных потоков в пористых средах является актуальной задачей современной теплофизики. Во многих областях современной техники возникают задачи определения потерь давления в засыпках с двухфазной движущейся средой, а также характеристик перемешивания двухфазных сред. В атомной энергетике такие задачи требуется решать при разработке конструкций водоохлаждаемых и кипящих реакторов с использованием шаровых микротвэлов, в том числе реакторов прямоточного типа [1]. В научной литературе опубликовано большое число работ по экспериментальному исследованию однофазных потоков в засыпках, в частности обобщающие работы [2-4]. Экспериментальных работ по двухфазным потокам в засыпках (например, [5-8]) значительно меньше, и они не охватывают всех аспектов проблем, возникающих в этой сфере. В данной работе приводятся результаты экспериментов в засыпках как с заранее перемешанной газожидкостной смесью, так и со струйным втеканием газа в движущуюся жидкость. Здесь в отличие от работ с парожидкостными потоками, в которых пар образуется в процессе нагрева и величина паросо-держания определяется по косвенным данным (по балансу тепла), непосредственно заданы (и измеряются) расходы отдельных фаз (жидкости и газа), что позволяет проанализировать их отдельное влияние на гидравлическое сопротивление потока. Полученные в работе авторов данные дополняют представления о гидродинамике двухфазных течений в засыпках.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Все опыты проводились на экспериментальном стенде, схема которого приведена на рис. 1. Стенд состоит из рабочего участка, питательного бака, циркуляционного насоса и связывающих их трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой. В различных экспериментах заменялся лишь рабочий участок. В рабочий участок снизу вверх подавалась вода или газоводяная смесь. Подача воды осуществлялась или насосом из напорного бака (при расходах более 0.12 м3/ч), или самотеком из напорного бака под давлением 0.108-0.118 МПа (при меньших расходах). В качестве газа использовался азот, который подавался через распределительное устройство, представляющее собой набор из 36 подводящих сопел диаметром 0.5 мм, расположенных поперек сечения подводящего канала.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Гидродинамическое сопротивление засыпки с перемешанной двухфазной средой
Первая группа экспериментов с движущейся средой в виде газо-водяной смеси была проведена с целью исследования гидродинамического сопротивления засыпки, состоящей из металлических шариков диаметром 2.12 или 3.175 мм при высоте засыпки 50, 100, 150 мм. Расход воды варьировался от 0 до 4.5 м3/ч, расход газа - от 0 до 2.5 м3/ч. При этом скорости сред, рассчитанные по соответствующему расходу, отнесенному к площади поперечного сечения канала, составляют: скорость воды - до 1 м/с, скорость газа - до 0.55 м/с. Иссле-
32 17
Рис. 1. Схема экспериментального стенда: 1 - бак напорный, 2 - вентиль напорного бака, 3 - насос, 4 - бак мерный, 5 - вентиль запорный, 6 - вентиль напорного насоса, 7 - манометр на входе в модель, 8 - термопара на входе в модель, 9 - нижний фланец модели, 10 - прокладка, 11 - корпус модели, 12 - сетка нижняя, 13 - верхний фланец модели, 14 - термопара на выходе из модели, 15 - манометр на выходе из модели, 16 - расходомер, 17 - вентиль на выходе из модели, 18 - вентиль заполнения стенда, 19 - ТЭН, 20, 21 - вентили, 22 - фильтр, 23 - подача городской воды, 24 - баллон с газом, 25 - счетчик газа, 26 - манометр, 27 - дифференциальный манометр, 28 - газораспределительное устройство, 29 - газораспределитель, 30 - термометр, 31 - регулятор расхода газа с манометром, 32 - вентиль.
АР, МПа 0.5
0.8 1.0
W„ м/с
Рис. 2. Перемешанная среда. Зависимость потерь давления АР от скорости воды W, при различных скоростях газа Wг. Сплошная кривая 1 - Wг = 0, штриховая кривая 2 - Wг = 0.55 м/с, точки для промежуточных значений Wг (здесь не показаны) располагаются между этими кривыми.
дуемые диапазоны расходов сред соответствуют варьированию объемного расходного газосодержания от 0 до 0.98 и массового расходного газосодержания от 0 до 0.2. В экспериментах измерялись расходы движущихся сред, давления, перепад давлений и температура. Использовались два рабочих участка в виде цилиндра с внутренним диаметром 40 мм и параллелепипеда с квадратным поперечным сечением и внутренними размерами 32 х 32 мм. Стенки рабочих участков были сделаны прозрачными.
Данные непосредственных измерений обрабатывались в виде зависимостей коэффициента сопротивления от чисел Рейнольдса, потерь давления от массового расходного газосодержания и объемного расходного газосодержания, а также в виде дополнительных потерь давления, связанных только с наличием газовой фазы, от чисел Рейнольдса для воды и газа. Несмотря на то, что давление по длине канала существенно меняется, первичная обработка результатов проводилась по давлениям на входе в канал. В данной работе не приводятся первичные результаты экспериментов, поскольку их общий объем очень велик. Некоторые результаты экспериментов для следующих условий: круглое сечение канала, диаметр зерна засыпки 3.175 мм, высота засыпки 100 мм -приведены на рис. 2, где показаны абсолютные значения потерь давления АР для различных скоростей воды Wв и газа Wг. Между кривой 1, соответствующей экспериментам без подачи газа (нижняя кривая) и кривой 2, соответствующей экспериментам с максимальной подачей газа (верхняя кривая), располагаются значения АР, полученные при промежуточных значениях Wг.
Обработка результатов экспериментов при двухфазных течениях обычно проводится с использованием величин объемного и массового расходных газосодержаний. Это связано с тем, что исследователю, как правило, неизвестны расходы от-
m, % 160
140
120
100
80
60
40
20
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Re,
Рис. 3. Перемешанная среда. Зависимость дополнительных относительных потерь давления m, вызываемых добавлением газа, от числа Рейнольдса воды Re, при различных числах Рейнольдса газа Re„: 1 -Re„ = 35, 2 - 70, 3 - 105, 4 - 139, 5 - 174. Сплошная кривая - аппроксимация точек 5, штриховая кривая - аппроксимация точек 1.
дельных фаз, поскольку одна из них (обычно - пар) образуется в процессе эксперимента. В настоящей работе измеряются точные значения расходов отдельных фаз, что дает возможность рассчитать числа Рейдольдса для каждой из них. На рис. 3 показаны дополнительные относительные потери давле-
ния m =
А PCM - А Рв АРв
(в процентах), вызванные
добавлением газа, в зависимости от числа Рейнольдса воды Яев при различных числах Рейнольдса газа Яег. Числа Яев и газа Яег рассчитываются по следующей формуле [4]:
Re =
0.45 Wd
(1 - e)Vev
(1)
где £ - пористость засыпки, йз - диаметр зерна, V -кинематическая вязкость среды, W - скорость среды (воды или газа), рассчитанная по полному сечению канала.
На рис. 3 видно, что при небольших скоростях воды газовая фаза оказывает существенное влияние на потери давления и значения т в присутствии газа больше тех, что получены на чистой воде.
На рис. 4 представлены зависимости коэффициента сопротивления ^(Яев) для различных Яег. Коэффициент X рассчитывался по формуле [4]
X =
АР
1.53
4.2
Р w в
которой L - высота засыпки.
При отсутствии газовой фазы (нижняя штриховая кривая) результаты экспериментов практически совпадают с данными [4].
На рис. 5 и 6 представлены зависимости отно-
Д Рс
сительных потерь давления п =
Д Р,
от объемного
расходного газосодержания в (рис. 5) и массового расходного газосодержания х (рис. 6). Данные, приведенные на этих рисунках, свидетельствуют о значительном влиянии газовой фазы на потери давления как при малых, так и при больших содержаниях в потоке воды и газа.
Для оценочного расчета потерь давления в двухфазной среде ДРдв предлагается формула, основанная на применении параметра Локкарта-Мартинелли [5]. Некоторые тождественные преобразования предложенной в [5] формулы приводят ее к виду
Д Рдв = Д Рв + Д Рг + С7 Д РвД Рг,
(3)
где ДРв и ДРг находятся при условии, что по каналу текут только жидкость или только газ, а коэффициент С является функцией параметров отдельных фаз.
Наши исследования показывают, что для определения потерь давления в рассматриваемой двухфазной среде можно принять постоянную величину коэффициента С = 4.4, что дает удовлетворительные результаты при использовании формулы (3) в пределах изменения массового расходного газосодержания х от 0 до 0.20 (исследуемый диапазон) со среднеквадратичной погрешностью ±18%.
X 4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
— 1 2
3
4
5
-6
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Яев
Рис. 4. Перемешанная среда. Зависимость коэффициента сопротивления X от числа Рейнольдса воды Яев и при различных числах Рейнольдса газа Яег: штриховая кривая 1 - Яег = 0, 2 - 35, 3 - 70, 4 - 105, 5 - 139, сплошная кривая 6 - 174.
п 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2
♦
л
0.2
0.4 0.6
0.8
1.0 в
Гидродинамическое сопротивление засыпки при струйной подаче газовой фазы
Вторая группа эксперим
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.