Алеханов Ю.В.2, Левушов А.Е.12, Логвинов А.А.12, Ломтев С.А.2, Мешков Е.Е.12
'Российский Федеральный Ядерный Центр - ВНИИЭФ,ул.Мира, 37, г.Саров, Россия, 607190, тел. (83130) 45009, факс (83130) 45958, e-mail:root@gdd.vniief.ru> 2Саровский Физико-Технический Институт,ул.Духова, 6, г.Саров, Россия, 607188, тел.(83130) 11882, факс (83130) 34809, e-mail: meshkov@sarfti.sarov.ru
О ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ СМЕСИ ДИСПЕРГИРОВАННОЙ ЖИДКОСТИ С ГАЗОМ ПРИ ПОМОЩИ ПОРШНЕВОЙ МАШИНЫ
Results of the experiment confirming an opportunity of receiving of a mix atomized liquid with gas by means of the piston machine due to use of effect of Raileigh-Taylor turbulent mixing of very thin liquid layer with a gas [1] are presented. The opportunity of use of the given effect a)for receiving of a mix atomized waters with air for suppression of fires and b)for preparation of a fuel-air mix in engines of internal combustion is discussed
1. ВВЕДЕНИЕ
Если граница двух газов движется с ускорением, направленным от легкой среды к тяжелой, то такая граница является неустойчивой (неустойчивость Рэ-лея-Тейлора [2,3]). В частности, при ускорении слоя жидкости сжатым газом граница между этим газом и жидкостью будет неустойчивой и на ней развивается зона турбулентного перемешивания (см. напр. [4]). В зоне перемешивания газ проникает в жидкость в виде укрупняющихся со временем пузырей, а на другом краю зоны перемешивания жидкость проникает в газ в виде дождя из капель. Размер этих капель тем меньше, чем больше величина ускорения, а поверхностное натяжение и вязкость жидкости меньше.
Этот эффект дает возможность получать смесь диспергированной жидкости с газом при помощи поршневой машины с коленвалом [1]. Плоский торец поршня поршневой машины перемещается со временем по закону: x=r • Cos jt +Const, где r - радиус шатунной щейки коленвала, j - угловая скорость вращения коленвала, x - путь, проходимый торцем поршня, (т. е. угол поворота коленвала отсчитывается от положения верхней мертвой точки (ВМТ)). Соответственно, скорость торца поршня: v= -r • j Sin jt, а ускорение: a= -r • j2 Cos jt. В интервале углов п/2 < jt < 3п/2 на торце поршня возникает искусственная сила тяжести и некоторое, небольшое количество жидкости, помещенной на плоском торце поршня будет растекаться по его поверхности. Удержание жидкости на торце поршня может обеспечиваться при помощи барьера, расположенного по периметру торца поршня.
В интервале углов поворота коленвала 36/ 2 < at <26 поршень движется с торможением и граница между слоем жидкости на поршне и газом, сжимаемым поршнем, оказывается неустойчивой и на ней должна развиваться зона турбулентного перемешивания.
Ранее были описаны эксперименты по исследованию развития зоны турбулентного перемешивания на границе тонкого слоя жидкости, ускоряемого сжатым газом (слой жидкости с обеих сторон граничил с
газами) [5]. Исследование процесса развития неустойчивости Рэлея-Тейлора в очень тонком слое жидкости, граничащим с жесткой стенкой, представляет интерес, как с научной точки зрения, так и с точки зрения возможных приложений. В описанных ниже экспериментах исследуется подобный случай.
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Схема экспериментального устройства приведена на рис. 1. Поршень из дерева толщиной 2,2 см. помещался в канале квадратного сечения 4х4 см2 из органического стекла, замкнутого с обоих концов. Поршень разделял канал на два замкнутых объема: камеру высотой 2 см и ускорительный канал длиной 12 см. По периметру верхней поверхности поршня помещался барьер высотой 0.5 мм и шириной ~1.2см. Со-
Рис. 1. Схема постановки опыта: 1-ускорительный канал (воздух, 1 атм); 2- слой воды; 3- барьер; 4- поршень; 5- камера (С2Н2+2.5О2); 6- инициатор детонации смеси в камере
InternationaL Scientific JournaL for ALternative Energy and EcoLogy (ISJAEE)
#5 2002
1 = 0 мс
I = 0,43 мс
1 = 0,86 мс
1,29 мс
1,72 мс
1 = 2,15 мс
Рис. 2. Фотохронограмма развития турбулентного перемешивания тонкого слоя воды (3) на стадии торможении поршня (2) вследствие развития неустойчивости Рэлея-Тейлора. Слой воды толщиной ~0.5 мм превращается в капельное облако толщиной ~25 мм. Первоначально слой воды находился в небольшом углублении на торце поршня. Плоский поршень из дерева толщиной ~22 мм ускоряется в канале из оргстекла квадратного сечения 40х40мм2 давлением продуктов детонации смеси ацетилена с кислородом (1). Время отсчитывается от момента появления поршня в кадре
ответственно, на верхнем торце поршня находилось углубление с поперечными размерами 1.5х1.5см. В углублении помещалась вода (слой толщиной ~0.4 мм).
Камера заполнялась смесью ацетилена с кислородом (С2Н2+2.5О2); в ускорительном канале находился воздух при атмосферном давлении. Детонация газовой смеси в камере инициировалась электроискровым способом.
Регистрация движения поршня и развития зоны осуществлялась при помощи скоростной камеры СФР в режиме лупы времени с подсветкой от импульсной лампы ИФК-120.
На рис. 2 приведены кадры фотохронограммы движения поршня в стадии торможения в одном из экспериментов. На рис. 3 приведена ХЛ диаграмма верхней границы поршня и верхнего края зоны турбулентного перемешивания (время отсчитывается от момента инициирования детонации смеси). В начальной стадии поршень движется с ускорением под давлением продуктов детонации смеси ацетилена с кислородом (1.3МПа); при этом поверхность слоя воды
Рис. 3. X-t диаграмма движения верхнего края поршня (1) и верхнего края зоны турбулентного перемешивания тонкого слоя воды (2). Первоначально слой воды (0.5мм) находился в небольшом плоском углублении на торце поршня
является устойчивой. Скорость поршня при этом достигает скорости ~30 м/с, на стадии торможения ускорение поршня достигает ~30000 м/с2 (оценка по Х-1 диаграмме).
После начала торможения поршня (под давлением сжимаемого в ускорительном канале воздуха) по всей поверхности тонкого слоя воды развивается зона турбулентного перемешивания. Верхний край зоны турбулентного перемешивания постоянно растет и практически достигает стенки в конце канала. Ширина слоя диспергированной жидкости возрастает до ~25 мм, т.е. по сравнению с начальной толщиной слоя возрастает в ~50 раз.
3. ВЫВОДЫ
Результаты приведенного эксперимента подтверждают принципиальную возможность получения смеси диспергированной жидкости с газом при помощи поршневой машины.
Представляет интерес использование данного способа для приготовления топливно-воздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания (в частности, дизельных).
Рассмотрим ситуацию, возникающую при использовании в качестве поршневой машины одного из типичных вариантов дизельного двигателя внутреннего сгорания с коленчатым валом, имеющим радиус шатунной шейки г = 47 мм, и со скоростью вращения коленвала от 800 до 4200 оборотов/мин. При этом предположим, что поршень имеет плоский торец, нормальный к образующей боковой поверхности, и совершает возвратно-поступательное движение, т. е. движение в режиме последовательного разгона и торможения с ходом, равным 94 мм.
На отрезке времени, когда ускорение имеет положительный знак (т. е. когда Со$(а1) является отрицательным), на плоскости торца поршня возникает искусственная сила тяжести; при подаче дозированного количества жидкого топлива на торец поршня поверхность жидкости будет устойчива и под действием указанной силы жидкость будет разливаться
E-maiL: redactor@hydrogen.ru, http://www.hydrogen.ru
Алеханов Ю.В., Левушов А.Е., Логвинов А.А., Ломтев С.А., Мешков Е.Е.
О возможности получения смеси диспергированной жидкости с газом при помощи поршневой машины
Бб
по поверхности торца поршня в виде тонкого слоя. Для обеспечения удержания жидкости на рабочей поверхности (торце поршня) последняя может иметь небольшой барьер, препятствующий стеканию с нее жидкости.
Положительное ускорение поршня имеет максимум в нижней мертвой точке (НМТ); затем ускорение уменьшается постепенно до нуля (на половине пути до ВМТ) и вслед за этим изменяет знак и вместе с тем растет по модулю. При этом поверхность жидкости становится неустойчивой и на ней развивается зона турбулентного перемешивания. Развитие зоны турбулентного перемешивания будет приводить к диспергированию жидкости и ее перемешиванию с газом одновременно по всей поверхности слоя жидкости, растекшейся по торцу поршня, что будет способствовать повышению степени однородности топливно-воздушной смеси и ее более полному сгоранию.
В НМТ поршень начинает двигаться из состояния, когда его скорость равна нулю, а ускорение направлено по нормали к рабочей поверхности - торцу от поршня в сторону воздуха, сжимаемого в цилиндре и имеет максимальную величину, равную 330-9100 м/с2 (в зависимости от числа оборотов коленвала). Эта величина в ~30 - 900 раз превосходит ускорение силы тяжести, и поэтому влиянием силы земного тяготения в данном случае можно пренебречь. С другой стороны, на каплю жидкого топлива, попавшую во время дозированной подачи на торцевую поверхность поршня на стадии движения с положительным ускорением, действует искусственная сила тяжести, превосходящая ее обычный вес при максимуме ускорения в НМТ в ~30 - 900 раз. На стадии движения поршня от НМТ и до половины проходимого им пути ускорение будет постепенно уменьшается до нуля, а скорость возрастает до величины 3.9-20.7 м/с.
На стадии движения поршня от половины пройденного им пути и до ВМТ ускорение меняет знак и постепенно нарастает вплоть до экстремального значения 330-9100 м/с2, но с обратным знаком по отношению к ускорению в НМТ. Заметим, что значения максимальных скорости и ускорения поршня в рассматриваемой поршневой машине по порядку величины близки к значениям скорости и ускорений, полученных в описанном выше эксперименте.
На этой стадии торможения граница между сжимаемым воздухом и слоем жидкости на поршне ста-
новится неустойчивой и на ней развивается зона турбулентного перемешивания, и в результате по всей площади слоя жидкости должно формироваться облако диспергированного жидкого топлива, перемешанного со сжатым воздухом. К моменту максимального сжатия воздуха будет достигаться и
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.