ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 2, с. 264-269
УДК 536.4
ОЦЕНКА ЧИСЛЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ КОНСТАНТ ИСПАРЕНИЯ КАПЕЛЬ ВОДЫ, ДВИЖУЩИХСЯ В ПОТОКЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОВ © 2015 г. Г. В. Кузнецов1, П. А. Куйбин2, П. А. Стрижак1
Национальный исследовательский Томский политехнический университет 2Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск E-mail: pavelspa@tpu.ru Поступила в редакцию 25.02.2014 г.
В результате экспериментальных исследований перемещения капель жидкости (воды) в потоке высокотемпературных (более 1000 K) газов, проведенных с использованием оптических методов диагностики двухфазных и гетерогенных газопарожидкостных смесей, установлены интегральные характеристики процесса испарения капель (массовые скорости). По экспериментальным значениям этих характеристик рассчитаны константы испарения капель жидкости в высокотемпературной газовой среде с использованием известных моделей тепломассопереноса.
DOI: 10.7868/S0040364415020131
ВВЕДЕНИЕ
Процессы смешения парожидкостных и газовых сред в условиях высоких температур характеризуются интенсивным парообразованием [1—3]. Прогнозировать характеристики процессов теп-ломассопереноса и фазовых превращений в таких условиях достаточно сложно. Основной проблемой является определение констант испарения [4]. Результаты предпринятых в последние годы попыток кинетического анализа интенсивного испарения жидкостей [4], предполагающего применение метода обратных балансов, дают основание говорить только о "качественно верных" изменениях "плотности обратного молекулярного потока" с ростом интенсивности испарения жидкости и имеют ограниченный прогностический потенциал. Развитие модельных представлений, сконцентрированных в широко используемой формуле Герца—Кнудсена [4], уже многие десятилетия сдерживается отсутствием достоверных экспериментальных данных о коэффициенте испарения (конденсации), являющемся обобщенной характеристикой состояния межфазной поверхности. В связи с вышеизложенным представляется целесообразным установление значений этой характеристики при проведении экспериментов в системе "капля жидкости — высокотемпературная газовая среда" с использованием оптических методов диагностики двухфазных и гетерогенных газопарожидкостных смесей [5, 6].
Цель настоящей работы — оценка численных значений констант испарения жидкости при движении ее капель в потоке высокотемпературных газов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Эксперименты проведены на стенде (аналогичном применяемому в [7]), схема которого представлена на рис. 1. В основание жаростойкого светопрозрачного цилиндра 13 (высота — 1 м, диаметр — 0.3 м) устанавливался полый цилиндр 14 (высота — 0.1 м, внутренний и внешний диаметры — 0.26 м и 0.3 м соответственно). В полость между внутренней и внешней стенками цилиндра 14 заливалась горючая жидкость со стабильными свойствами — керосин. Непосредственно перед началом опытов инициировалось зажигание горючей жидкости. В процессе горения керосина во внутреннем пространстве канала 13 формировался поток газов — продуктов сгорания. Через заданный интервал времени (280 с) температура продуктов сгорания в канале 13 достигала значений 1070 ± 30 К. Она контролировалась хромель-алю-мелевыми термопарами 15 (диапазон измерения — 273—1373 К, допустимое отклонение А = 3.3 К) на разных по высоте уровнях (0.15, 0.5 и 0.85 м) в канале 13. Жидкость (вода) из емкости 7 по каналу 8 подавалась на вход дозатора 9. Выставлялись необходимые параметры ее истечения (начальные размеры капель жидкости варьировались в достаточно широком диапазоне — = 1—5 мм). Через дозатор 9 осуществлялся ввод капель жидкости в канал 13, заполненный высокотемпературными газами. При помощи светового "ножа" 6 лазера 2 выполнялась подсветка траектории движения капель жидкости. Кросскорреляционной камерой 3 проводилась регистрация видеограмм с изображениями капель. Отснятые в ходе проведения опытов кадры видеограмм передавались на персональный компьютер (ПК) 4, где с использованием специализированного программного обес-
печения выполнялась процедура их обработки (вычислялись размеры перемещающихся капель). Также с использованием специализированных электронных весов 16 (абсолютная погрешность — 10-4 г) проводились измерения массы капель до и после прохождения через область высоких температур.
Основные характеристики регистрационной аппаратуры (рис. 1): кросскорреляционная видеокамера 3 с форматом изображения — 2048 х х 2048 пикселей, кадровой частотой — не менее 1.5 Гц, минимальной задержкой между двумя последовательными кадрами — не более 5 мкс; двойной импульсный твердотельный лазер 2, имеющий длину волны — 532 нм, энергию в импульсе — не менее 70 мДж, длительность импульса — не более 12 нс, частоту повторений — не более 15 Гц; синхронизирующий процессор 5 с интервалом дискретизации сигналов — не более 10 нс.
Для повышения контрастности видеограмм при лазерной подсветке непосредственно перед началом проведения экспериментов в воду добавлялось 0.5% по массе нанопорошка диоксида титана (аналогично методике [7]). Выбор порошка TiO2 в качестве "трассеров" обусловлен тем, что его частицы не растворяются в воде и практически не влияют на процесс парообразования [7].
Размеры капель в регистрационных областях видеограмм (до и после высокотемпературной газовой среды) определялись с использованием методики [7] и оптического метода Interferometric Particle Imaging (IPI) [5, 6]. Капли в регистрационной области многократно (более 100 раз в секунду) освещались ножом 6. По числу наблюдаемых на видеограммах интерференционных полос рассчитывались размеры капель в потоке газов. В качестве характерного размера капель аналогично экспериментам [7] выбран условный радиус Rd. Это обусловлено тем, что капли жидкости при перемещении через газовую среду принимают эллипсоидальную форму [7]. Для таких капель вычислялись максимальные диаметры (от 6 до 10 значений в зависимости от конфигурации) и усреднялись. По полученным значениям рассчитывались средние условные (форма капель несколько отличается от сферы) радиусы Rd.
В качестве функций цели экспериментов выбраны характеристики испарения капель — изменение их размеров Rd и массы md, а также время движения через канал 13 (соответствует времени испарения td). Введены в рассмотрение параметры AR = (Rd — R*)/Rd и Am = (md — m*)/md, где R*,
m* — условный радиус и масса капель на выходе из канала 13, характеризующие уменьшение массы и размеров капель. Систематические погрешности определения размеров капель не превысили 1%, массы — 2% и времени — 1% [5—7].
Рис. 1. Схема экспериментального стенда: 1 — генератор лазерного излучения; 2 — двойной твердотельный импульсный лазер; 3 — кросскорреляционная камера; 4 — персональный компьютер (ПК); 5 — синхронизатор ПК, кросскорреляционной камеры и лазера; 6 — световой "нож"; 7 — емкость с рабочей жидкостью; 8— канал подачи рабочей жидкости; 9 — распылитель; 10 — штатив; 11 — капли рабочей жидкости; 12 — канал движения охлаждающей жидкости лазера; 13 — цилиндр из жаростойкого светопрозрачного материала; 14 — полый цилиндр, в межстеночное пространство которого залита горючая жидкость; 15 — термопары; 16 — электронные весы.
При обработке видеограмм с изображениями капель рассчитывались скорости срыва с их поверхности "трассирующих" частиц (соответствуют скоростям оттока паров воды в газовую среду). Применялся оптический метод Particle Image Vloci-metry (PIV) [5, 6]. Измерительной областью считалась плоскость "светового ножа" лазера (рис. 1). "Трассирующие" частицы в измерительной плоскости потока (в малой окрестности капли) многократно освещались. Образы частиц регистрировались на цифровую кросскорреляционную камеру. Последующая обработка изображений позволяла рассчитать смещения частиц за время между вспышками источника света (100 мкс) и построить "двухкомпонентные" поля скоростей "трассеров" [5, 6]. Применялся кросскорреляционный алгоритм и метод быстрого преобразования Фурье при выполнении условий корреляционной теоремы [5, 6]. Каждая видеограмма разбивалась на регистрационные области. После этого рассчитывалась корреляционная функция. Максимум корреляционной функции соответствовал наиболее вероятному сдвигу частиц в регистрационной области [5, 6]. При известных временных задержках между вспышками лазера и наиболее вероятных перемещениях частиц (определенных по максимуму корреляционной функции) в регистрационных областях видеокадров определялись мгновенные скорости "трассеров". Систематические погрешности определения скорости "трас-
Рис. 2. Видеограмма одиночной капли жидкости
(Я4 = 3 мм).
серов", вычисленные в соответствии с методиками [5, 6], не превысили 1%.
На рис. 2 приведена типичная видеограмма эксперимента с изображением движущейся в потоке высокотемпературных газов капли воды с "трассерами".
Анализ видеограмм серии выполненных экспериментов позволил сделать вывод о том, что в процессе движения через высокотемпературную газовую среду форма капель меняется достаточно умеренно. Соответственно отклонения по интегральному параметру АЯ при идентичных начальных условных радиусах Яй не превышают 1.5%. Можно заключить, что форма капель не оказывает практически никакого влияния на интенсивность испарения жидкости. Полученный результат позволяет при моделировании рассматриваемого процесса не учитывать возможную деформацию капель в полете и отклонение их формы от сферической (особенно при малых временах движения в потоке газов).
Результаты обработки видеограмм и измерений массы капель жидкости в серии экспериментов приведены в таблице.
При анализе полученных параметров Яй, тй и гй (таблица) установлены значения массовой скорости испарения капель жидкости в рассматриваемых условиях:
Же = (1/Б)йт/йг. (1)
Здесь Б = 4яЯ2 — условная площадь поверхности капель (Я изменяется в ходе полета капли от
Яйдо Я*). Масса капель также меняется — от тйдо
т*. Можно записать условный объем капли V = = 4яЯ3/3 и ее условную массу т = р^, где рй — плотность воды, кг/м3. В этом случае формулу (1) можно представить в виде
Же = - В$)/и, (2)
где пр
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.