ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 5, с. 788-795
УДК 532.529:534.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОАГУЛЯЦИИ АЭРОЗОЛЯ В ТРУБЕ ВБЛИЗИ СУБГАРМОНИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА
© 2004 г. Д. А. Губайдуллин*, Р. Г. Зарипов*, Р. Г. Галиуллин**, Э. Р. Галиуллина**, Л. А. Ткаченко*
*Институт механики и машиностроения КазНЦ РАН, г. Казань **Казанский государственный университет Поступила в редакцию 16.09.2003 г.
В трубах с различными условиями на концах экспериментально исследованы нелинейные колебания аэрозоля вблизи резонансной частоты, вдвое меньшей первой собственной (субгармонический резонанс). Получены зависимости числовой концентрации капель аэрозоля от времени и изучено влияние частоты и интенсивности колебаний на процесс коагуляции капель. Установлен немонотонный характер зависимости времени коагуляции капель аэрозоля от частоты возбуждения с минимальным значением на резонансе. Обнаружены упорядоченные пространственно-временные структуры (чередование уплотненных и разреженных участков аэрозоля) в видимой области около середины закрытой трубы.
ВВЕДЕНИЕ
В аппаратах современной техники основными рабочими телами являются различные неоднородные и многофазные среды. При этом многие явления носят волновой и нестационарный характер. Исследование волновых процессов в таких средах является одной из актуальных проблем динамики и теплофизики многофазных систем. Из многообразия гетерогенных сред могут быть выделены дисперсные потоки, имеющие сравнительно регулярный характер и представляющие смесь нескольких фаз, одной из которых являются различные включения (капли, пузырьки, твердые частицы), т.е. аэрозоли, туманы, пузырьковые жидкости, взвеси и т.д. Основные модели волновой динамики многофазных сред и ряд результатов в этой области представлены в [1]. Колебательные процессы в двухфазных ограниченных средах подробно рассматриваются в [2, 3]. Динамике бегущих волн в газокапельных системах посвящены работы [4, 5]. Особое значение имеет изучение колебаний с сильно нелинейными фронтами волн и коагуляции аэрозолей, поскольку и те, и другие представляют интерес для практического применения (интенсификация распыления жидкостей с целью очистки отходящих газов на вредных производствах, осаждение аэрозоля в различных технических устройствах, интенсификация перемешивания и горения и т.п.). Акустическая коагуляция аэрозолей, при которой происходит объединение и слипание небольших частиц или капель под воздействием акустических волн, является хорошо известным явлением, подробно рассмотренным в монографиях [6-10], работах [11-13] и др. Широко применяемой в технике яв-
ляется система типа трубы-резонатора, где при возбуждении среды вблизи резонансов возникают сильно нелинейные волны давления, вплоть до периодических ударных волн в резонансе. Обзор исследований нелинейных резонансных колебаний однородного газа в трубах с различными условиями на концах приводятся в работе [14]. Отмечается, что резонансные режимы колебаний сопровождаются рядом нелинейных эффектов, таких как турбулизация потока, возникновение вторичных течений и акустотермических процессов, генерация высших гармоник, образование пульсирующей струи во внешнем волновом поле вблизи открытого конца и др. Некоторые исследования с аэрозолями в больших объемах выполнялись для условий интенсивного гармонического возбуждения вне резонансных частот колебаний [7]. Наиболее интересным является случай нелинейных резонансных колебаний аэрозолей в трубах, однако экспериментальному изучению этого явления посвящено лишь несколько работ [1519]. В работе [15] исследовалась коагуляция капель машинного масла и табачного дыма в режимах дорезонансных частот и первой собственной частоты = 50 Гц. Продольные колебания генерировались плоским поршнем на одном из концов трубы. Диаметры капель и частиц составляли от 1 до 10 мкм. Было выявлено, что появление периодической ударной волны с перепадом давления Ар = 0.32 атм в резонансе приводит к ускоренной коагуляции капель масла, в результате чего коагуляция заканчивается уже через несколько секунд. Причем даже слабые ударные волны обеспечивают более высокую скорость коагуляции капель, чем синусоидальные колебания большой
13
12
Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования нелинейных колебаний аэрозоля в трубе: 1 - труба-резонатор, 2 - отрезок трубы из кварцевого стекла, 3 - прибор Ф 4375, 4 - датчик измерителя частоты, 5 - компрессор, 6 - электродвигатель, 7 - конусный переходник, 8 - цилиндр, 9 - автотрансформатор, 10 - датчик светопроницаемости, 11 -вольтметр, 12 - аэрозольный генератор, 13 - лазерный спектрометр, 14 - цифровая фотокамера.
амплитуды, широко используемые в различных устройствах [6, 7, 9]. Экспериментально наблюдалось [16] укрупнение исходных капель олеиновой кислоты диаметром 1-10 мкм до образований диаметром 80 мкм. В работе [17] исследовалась коагуляция частиц дыма, полученного от сгорания палки ладана, в закрытой прозрачной трубе при первой собственной частоте = 46.6 Гц. Изучалось изменение со временем светопроницаемости дыма с частицами размерами менее 0.3 мкм. Так же, как и в работе [15], периодические ударные волны с Ар = 0.3 атм ускоряли процесс коагуляции частиц, в результате чего она заканчивалась через 30-50 секунд. В работе [18] теоретически показано, что ускоренная коагуляция в резонансе обусловлена различием в инерции капель. Имеется также ряд теоретических подходов к объяснению акустической коагуляции аэрозолей при гармоническом возбуждении [7-13]. В [19] авторами представлены некоторые предварительные результаты экспериментального исследования ускоренной коагуляции капель аэрозоля в закрытой трубе. Для условий эксперимента при заполнении трубы воздухом перепад давления в периодической ударной волне менялся в пределах 0.3 < Ар < 0.5 атм для разных длин. Кроме того следует отметить пока единственную экспериментальную работу [18], в которой исследовался дрейф легкой сферы из пен ополи стирола диаметром 3.5 мм, подвешенной на тонкой проволочке, в поле периодических ударных волн в закрытой трубе.
Таким образом, результатов экспериментальных исследований нелинейных колебаний аэрозолей в трубах, при которых возникает их ускоренная коагуляция, явно недостаточно. В частности, не был изучен переход через резонансную частоту, а эксперименты ограничивались случаем ко-
лебаний вблизи первой собственной частоты в закрытой трубе. Возникает необходимость восполнить этот пробел и подробно исследовать явление ускоренной коагуляции аэрозоля в трубе с различными условиями на концах.
В настоящей работе изучаются нелинейные колебания аэрозоля в трубах разной длины в широком диапазоне частот возбуждения, включающих половину фундаментальной частоты среды (субгармонический резонанс). В отличие от предыдущих исследований [15, 16] здесь представлены результаты экспериментов с мелкодисперсным аэрозолем, диаметр капель которого был менее 1 мкм, при более низких частотах возбуждения. Впервые рассмотрена коагуляция аэрозоля в поле периодических ударных волн в полуоткрытой трубе.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ
Исследование нелинейных колебаний аэрозоля в трубе проводилось на экспериментальной установке, содержащей трубу-резонатор, систему возбуждения колебаний и систему регистрации параметров процесса (рис. 1). Для возбуждения колебаний аэрозоля использовался типовой компрессор с ходом поршня 210 = 0.086 м и внутренним диаметром цилиндра 2Я = 0.077 м. Коленчатый вал криво-шипно-шатунного механизма соединялся с ротором электродвигателя постоянного тока П-42 мощностью 3.2 кВт. Напряжение на электродвигатель подавалось по специальной электрической схеме через автотрансформатор, что позволяло плавно менять обороты вращения ротора и соответственно частоту колебаний поршня. Цилиндр компрессора соединялся с трубой-резонатором через сужающийся конусный переходник высо-
dN х 10 5, частиц
1
0.8 0.9 dN х 10-3, частиц
N х 10 5, частиц
1.0
1.1
N х 10-5, частиц
D, мкм
10
Рис. 2. Распределение невозмущенной взвешенной фазы дисперсной среды по геометрическому диаметру: (а) - аэрозоль C26H5oO4, (б) - табачный дым. Сплошная линия - интегральная зависимость.
той Н = 0.22 м. Труба состояла из одинаковых секций длиной 0.5 м внутренним диаметром 2Я0 = = 0.048 м. Одна секция, изготовленная из кварцевого стекла, имела длину 1.2 м. Для всех экспериментов в закрытой трубе эта секция была установлена в середине трубы, а в случае открытого конца - на расстоянии, равном 1.87 м от конусного переходника.
Для измерения частоты колебаний поршня V = = ю/2п, где ю - циклическая частота, применялся фотоэлектрический датчик, сигналы с которого подавались на частотомер комбинированного прибора Ф-4372. Частота измерялась с точностью 0.1 Гц и изменялась от 0 до 18 Гц. Для измерения концентрации аэрозоля в процессе его колебаний использовался датчик светопроницаемости, установленный на кварцевой секции трубы. Направленный луч света проходил перпендикулярно трубе сквозь аэрозоль и попадал на фотосопротивление. Затем сигнал с фотосопротивления через усилитель преобразовывался в напряжение, которое фиксировалось цифровым вольтметром. В качестве рабочей жидкости для создания аэрозоля применялся диэтил-гексил-себакат С26Н5004. Данный выбор обусловлен тем, что экспериментально определенное время жизни такого аэрозоля в закрытой трубе в невозмущенном состоянии
составляет 17.5 минуты. Для сравнения: время жизни водяного аэрозоля с геометрическим диаметром капель 1 мкм составляет 1 мс, что неприемлемо для условий настоящих экспериментов. В опытах использовался генератор аэрозолей ATM 225 (фирма TOPAS), который создал капли с геометрическим диаметром D, главным образом менее 1 мкм. Распределение по геометрическому диаметру капель аэрозоля определялось лазерным спектрометром LAP-320 (фирма TOPAS), который реализовывал принцип количественной регистрации интенсивности света, рассеянного одной каплей, зависящей от первоначальной интенсивности. Данный метод оптической регистрации является эффективным для измерения размера капель в широком диапазоне D от 0.3 до 20 мкм. Визуальн
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.