научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ЧАСТИЦ НА ТУРБУЛЕНТНОСТЬ НЕСУЩЕГО ПОТОКА ГАЗА Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ЧАСТИЦ НА ТУРБУЛЕНТНОСТЬ НЕСУЩЕГО ПОТОКА ГАЗА»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 3, с. 441-466

= ОБЗОР

УДК 532.529

ВЛИЯНИЕ ЧАСТИЦ НА ТУРБУЛЕНТНОСТЬ НЕСУЩЕГО ПОТОКА ГАЗА

© 2015 г. А. Ю. Вараксин

Объединенный институт высоких температур РАН, Москва Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана E-mail: varaksin_a@mail.ru Поступил в редакцию 06.11.2014 г.

Проведен обзор результатов экспериментальных и расчетно-теоретических исследований влияния присутствия дисперсной фазы в виде частиц на параметры турбулентного течения несущей газовой фазы. Описаны и проанализированы основные физические механизмы влияния частиц различной инерционности на основные характеристики турбулентных потоков.

БО1: 10.7868/80040364415030199

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.

1. Классификация двухфазных потоков.

2. Физическое моделирование влияния частиц на турбулентные течения в каналах (трубах).

2.1. Профили осредненных скоростей частиц и газа.

2.1.1. Равновесное течение.

2.1.2. Квазиравновесное течение.

2.1.3. Неравновесное течение.

2.1.4. Течение с крупными частицами.

2.2. Профили пульсационных скоростей частиц и газа.

2.2.1. Равновесное течение.

2.2.2. Квазиравновесное течение.

2.2.3. Неравновесное течение.

2.2.4. Течение с крупными частицами.

3. Математическое моделирование влияния частиц на турбулентные течения.

3.1. Ранние теоретические исследования.

3.2. Поиск безразмерных параметров. Обобщение данных.

3.3. Двухпараметрическая к—е-модель турбулентности для двухфазного потока.

3.3.1. Уравнения модели.

3.3.2. Безынерционные частицы.

3.3.3. Вырождение изотропной турбулентности.

3.3.4. Однородный сдвиговый поток.

3.3.5. Пристеночная турбулентность в трубе. Заключение.

Список литературы.

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия можно наблюдать устойчивый рост интереса многочисленных групп исследователей во всем мире к изучению многофазных (двухфазных, гетерогенных) течений.

Потоки газа, несущие дисперсную примесь в виде твердых частиц (капель), имеют место в целом ряде природных явлений (воздушные смерчи, песчаные бури, извержения вулканов, лесные пожары, дожди и многое другое). Примерами технических устройств, в которых используются двухфазные течения, являются камеры сгорания газотурбинных установок (ГТУ), тракты твердотопливных и жидкостных реактивных двигателей, системы пожаротушения, устройства песко-и дробеструйной обработки различных поверхностей, пневмотранспортеры сыпучих материалов, пылеуловители различных типов и т.п.

Изучение поведения твердых частиц в турбулентном потоке и их обратного влияния на характеристики несущего газа является одной из фундаментальных проблем механики двухфазных (гетерогенных) сред. Особенности движения частиц и интенсивность проистекающих межфазных процессов в значительной мере зависят от инерционности дисперсной фазы и ее концентрации в потоке.

Учет обратного влияния дисперсной фазы на несущую среду необходим при рассмотрении особенностей использования воды и водяного пара в ГТУ [1, 2], присадки в магнитогидродина-мических (МГД) генераторах [3], при проведении расчетов формирования наночастиц [4], процессов конденсации [5—7], дробления [8], абляции [9, 10], высокоскоростного (гиперзвукового и сверхзвукового) обтекания тел [11, 12], распространения акустических волн [13—18], импактных импульсных газокапельных струй [19—22], свободных

концентрированных вихрей [23—26], ударных волн [27] в двухфазных средах.

Предметом изучения данного обзора являются преимущественно потоки газа с твердыми частицами в каналах. Исследование двухфазных течений в каналах (в частности, в трубах) не является тривиальной задачей. Изучение движения частиц в поле течения несущего их газа, когда имеют место градиенты осредненных и пульсационных скоростей и температур (в случае неизотермического потока) в радиальном направлении, непростая проблема сама по себе. Градиентность профилей осредненных и пульсационных параметров несущего газа ведет к неоднородности действующих на частицу силовых факторов в продольном и радиальном направлениях. Это является причиной формирования существенно неоднородных профилей осредненных и пульсацион-ных скоростей, температур и концентраций частиц. Наличие сдвиговых профилей характеристик частиц существенно затрудняет изучение их обратного влияния на параметры несущей среды. Таким образом, сложность двухфазных течений в трубах приводит к тому, что они остаются малоизученными, несмотря на значительное количество имеющихся исследований.

Целью настоящей работы является обзор результатов экспериментальных и расчетно-теоре-тических исследований влияния частиц на характеристики турбулентности несущего газового потока.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ

Поведение частиц в турбулентных потоках несущей среды и их обратное влияние на характеристики газовой фазы в значительной степени обусловлено их инерционностью. Инерция движущихся в потоке твердых частиц определяется их размером (диаметром) dp и физической плотностью рр. Комплексной характеристикой инерционности частиц является время динамической релаксации тр, представляемое в следующем виде:

т p0

/C(Re p)

Р Pd

p p

(1)

18|дС(Яе р)

Здесь тр0 — время динамической релаксации стоксовой частицы, ц — динамическая вязкость. Отметим, что время релаксации частицы зависит и от динамической вязкости среды, в которой происходит ее движение. Поправочная функция С(Яер) учитывает влияние сил инерции на время релаксации нестоксовой частицы. Таким образом, в случае движения нестоксовой частицы ее инерционность зависит также и от числа Рей-нольдса частицы Яер, вычисляемого по относительной скорости между фазами W и диаметру частиц.

Однофазные турбулентные потоки характеризуются целым рядом пространственных и соответствующих им временных масштабов. Вследствие этого возможно построение ряда безразмерных критериев — чисел Стокса, определяющих инерционность дисперсной примеси по отношению к тем или иным масштабам течения, в виде

Stk, = T, (2)

где T — некоторое характерное время несущей фазы. В работах [28, 29] различают три основных безразмерных критерия Stkf, StkL, и StkK — числа Стокса в осредненном, крупномасштабном пуль-сационном и мелкомасштабном пульсационном движениях соответственно. При построении данных критериев в качестве характерных времен выбирают Tf, TL и тк — характерные времена несущей фазы в осредненном движении, крупномасштабном пульсационном движении (временной лагранжев интегральный масштаб турбулентно -сти) и мелкомасштабном пульсационном движении (временной колмогоровский масштаб турбулентности) соответственно.

В зависимости от диапазона изменения чисел Стокса в [28] выделяют несколько основных классов двухфазных потоков. Кратко опишем их.

Равновесное течение. Отличительной особенностью данного течения является равенство

осредненных (Uj = V) и пульсационных (и' = v') скоростей газа и частиц, а также следующий диапазон изменения основных чисел Стокса (Stk f ^ 0, StkL ^ 0, StkK - 0(1)).

Квазиравновесное течение. Особенностью такого потока является равенство осредненных

(Uj = V) и различие пульсационных (и' Ф vj) скоростей газа и частиц, а также следующий диапазон изменения основных чисел Стокса (Stk f ^ 0, StkL - 0(1), StkK - 0(1)).

Неравновесное течение. При реализации данного класса течения имеется различие как осред-

ненных (Uj Ф V), так и пульсационных (и' Ф vj) скоростей газа и частиц, а также следующий диапазон изменения основных чисел Стокса ((Stkf - 0(1), StkL - 0(1), StkK ^ да).

Течение с крупными частицами. Особенностью такого двухфазного потока является различие в осредненных (Uj Ф V) скоростях фаз, полная инертность частиц по отношению к турбулентным пульсациям скорости газа (vj = 0), а также следующий диапазон изменения основных чисел Стокса (Stkf - 0(1), Stk

L ^ да, StkK ^ да).

Следует заметить, что знак равенства, используемый выше при сравнении скоростей частиц и

2

газа, носит условный характер. Понятно, что обладающие инерцией частицы не могут полностью отслеживать ни осредненного, ни тем более пуль-сационного движений газа. Поэтому для корректности можно положить, что частицей, полностью вовлекаемой в осредненное (пульсационное) движение газа, является частица, осредненная (пульсационная) скорости которой отличаются не более чем на 1% от соответствующих скоростей несущей фазы. Отметим, что случай безынерционных (по отношению к мелкомасштабным пульсациям газа) частиц реализуется при StkK ^ 0.

Приведенные выше классы двухфазных потоков в дальнейшем будут широко использоваться при анализе результатов экспериментальных и расчетно-теоретических работ, посвященных установлению влияния частиц на характеристики несущих турбулентных потоков газа.

2. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЧАСТИЦ НА ТУРБУЛЕНТНЫЕ ТЕЧЕНИЯ В КАНАЛАХ (ТРУБАХ)

В данном разделе будут рассмотрены экспериментальные данные по распределениям осред-ненных и пульсационных скоростей "чистого" газа, газа в присутствии частиц и самих твердых частиц в каналах при изменении концентрации и инерционности дисперсной фазы в широких пределах.

Исторически сложилось так, что большее развитие получила теория турбулентных двухфазных струй. Это связано с очевидностью практического применения этого класса запыленных течений и относительной простотой в постановке экспериментальных исследований. В ранних работах по изучению двухфазных (гетерогенных) струй [30, 31] было показано, что присутствие частиц ведет к уменьшению интенсивности турбулентности несущего газа. Также частицы изменяли и энергетический спектр турбулентности, подавляя высокочастотные составляющие. Более поздние исследования (например, [32—35] и др.), проведенные для широкого диапазона концентраций и размеров частиц, а также отношения плотностей фаз, подтвердили полученные результаты.

К ранним исследованиям двухфазных течений в каналах можно отнести работы [36—41]. В основном они посвящены течениям со сферическими частицами в вертикальных трубах с массовой расходной концентрацией M < 5. Подробный обзор работ, опубликованных до 1969 года, содержится в [40]. Типичным инструментом при проведении этих экспер

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»