УДК 532.529:534.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ АЭРОЗОЛЯ В ОТКРЫТОЙ ТРУБЕ В БЕЗУДАРНО-ВОЛНОВОМ РЕЖИМЕ
© 2013 г. Д. А. Губайдуллин, Р. Г. Зарипов, Л. А. Ткаченко
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики и машиностроения Казанского научного центра РАН Поступило в редакцию 20.02.2013 г.
Экспериментально исследованы вынужденные продольные колебания мелкодисперсного аэрозоля в открытой трубе в безударно-волновом режиме вблизи первой собственной частоты. Получены зависимости числовой концентрации капель аэрозоля от времени. Изучено влияние частоты и амплитуды возбуждения на просветление аэрозоля, заключающееся в коагуляции, осаждении на стенках трубы и частичном выбросе капель аэрозоля из открытого конца трубы. Показано, что процесс просветления аэрозоля происходит в 6—12 раз эффективнее, чем естественное осаждение.
DOI: 10.7868/80040364413060148
ВВЕДЕНИЕ
Основы механики и теплофизики различных многофазных сред — газовзвесей, пузырьковых жидкостей, газо- и парожидкостных потоков, а также наиболее существенные результаты по изучению волновых процессов в таких средах представлены в [1]. Волновые процессы в двухфазных средах, заполняющих ограниченные объемы, рассматриваются в [2, 3]. При этом значительный интерес представляет исследование указанных процессов вблизи резонансных частот. Практическое применение имеют эффективная коагуляция капель аэрозолей и их осаждение на стенках. Результаты таких исследований могут быть использованы, например, при очистке отходящих газов на вредных производствах. Ранее экспериментально изучены ускоренная коагуляция и оса-
ждение на стенках трубы капель машинного масла и табачного дыма (1—10 мкм) [4], капель олеиновой кислоты (1—10 мкм) [5], частиц дыма, полученных от сгорания ладана (0.3 мкм) [6] и аэрозоля, получаемого из жидкости диэтилгек-силсебакат DEHS (0.83 мкм) [7] вблизи основного и субгармонического резонансов в ударно-волновом режиме при значениях амплитуд возбуждения свыше 0.1 бар. Режим безударно-волнового течения аэрозоля ^ЕН8), когда пристеночные потери при значениях амплитуд порядка 0.01 бар становятся существенными, исследовался лишь для случая закрытой трубы [8]. В связи с этим целью работы является изучение вынужденных продольных колебаний мелкодисперсного аэрозоля в открытой трубе в указанном режиме вблизи первой собственной (резонансной) частоты.
956
ГУБАЙДУЛЛИН и др.
(а)
6 „.,-3
(б)
▲ l = 0.5 мм
■ l = 0.7 мм
• l = 1.0 мм
д l = 1.25 мм
□ l = 1.5 мм
о l = 1.7 мм
N х 10-6, см
0 10 20 30 40 50 60 70
t, с
Рис. 1. Зависимости числовой концентрации капель аэрозоля (а) и колебаний давления среды вблизи поршня (б) от времени на наблюдаемой резонансной частоте при различных амплитудах смещения поршня: линии — экспоненциальная аппроксимация.
t, с 70
60 -
50 -
40
30
12
16 Б х 104
Рис. 2. Зависимость времени просветления аэрозоля от параметра 5 на частоте наблюдаемого резонанса: линия — полиномиальная аппроксимация.
t, с 120
100
80
60
40
20
0
74
76
78
80
82
v, Гц
Рис. 3. Зависимость времени просветления аэрозоля от частоты возбуждения для различных амплитуд смещения поршня: линии — полиномиальная аппроксимация.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ
Эксперименты выполнялись на установке, использованной ранее для изучения коагуляции и осаждения аэрозоля в закрытой трубе [8]. Продольные колебания аэрозоля в кварцевой трубе длиной L = 1.06 м и диаметром 2R = 0.0365 м создавались плоским поршнем при помощи вибростенда TV51075 (TIRA). На пассивном конце труба закрывалась крышкой с отверстием, совпадающим с диаметром трубы. Колебания аэрозоля с различными амплитудами и частотами, включающими резонансную, задавались и контролировались программным модулем SineVIEW-VR610, установленным на компьютер, посредством пьезоэлектрического акселерометра 4513-001 (Bruel & Kjaer) и контроллера VR8 500-1 (Vibration Research Corporation). Для измерения давления аэрозоля применялся датчик давления 8530С-15 (Bruel & Kjaer), размещенный вблизи поршня, трехканальный мостовой усилитель напряжения ENDEVCO-136 (Bruel & Kjaer) и цифровой осциллограф DSO 3062A (Agilent Technologies). Аэрозоль с диаметром капель 0.83 мкм [7] создавался аэрозольным генератором ATM 225 (TOPAS) из жидкости диэтилгексилсебакат С26Н50О4. Труба заполнялась аэрозолем без избыточного давления до начальной числовой концентрации 3.5 х 106 см-3, постоянной для всех экспериментов, и запускались колебания. Изменение светопроницаемости аэрозоля в ходе экспериментов за счет уменьшения его числовой концентрации приводило к изменению освещенности. Для измерения светопроницаемости аэрозоля использовался измерительный комплекс, состоящий из лазера с длиной волны 630 нм и мощностью 0.16 Вт, который являлся источником света, и цифрового люксметра АТТ-1505 (Актаком).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 1а приведены зависимости числовой концентрации капель аэрозоля от времени при различных значениях амплитуды смещения поршня I для наблюдаемой резонансной частоты
Vэ. Наблюдаемая резонансная частота при наличии поглощения v1э = 78.6 Гц отличалась от резонансной частоты колебаний, рассчитанной по линейной теории, v1 = 80.1 Гц. Монотонное уменьшение числовой концентрации аэрозоля со временем связано с коагуляцией капель, осаждением их на стенках трубы и частичным выбросом аэрозоля из открытого конца трубы. Эффективная коагуляция капель и их осаждение в трубе, являющейся четвертьволновым резонатором, обусловлены вторичными течениями, образующимися вследствие нелинейности резонансных колебаний.
4
8
Время изменения числовой концентрации назовем временем просветления аэрозоля, в отличие от времени коагуляции и осаждения в закрытой трубе [8]. С увеличением амплитуды смещения поршня уменьшение числовой концентрации происходит быстрее и кривизна зависимостей увеличивается. Это связано с тем, что при малых амплитудах колебания среды подчиняются гармоническому закону (рис. 1б): форма волны давления имеет непрерывный и симметричный вид. С повышением амплитуды происходит увеличение размаха колебаний давления и эпюры колебаний давления приобретают форму, несколько отличную от гармонической. Аналогичные зависимости также наблюдаются при частотах, близких к резонансной.
С использованием полученных результатов определялось время просветления аэрозоля для различных значений амплитуды и частоты колебаний. Зависимость времени просветления от параметра е = l/L на частоте наблюдаемого резонанса дана на рис. 2. Видно, что рост е приводит к практически линейному уменьшению времени просветления аэрозоля. Такое уменьшение обусловлено тем, что при увеличении амплитуды колебаний коагуляция капель, осаждение на стенках трубы и частичный выброс аэрозоля из открытого конца трубы происходят более интенсивно. Можно отметить, что время просветления примерно в 6—12 раз меньше, чем время естественного осаждения, и в 1.5 раза меньше, чем время коагуляции и осаждения аэрозоля в закрытой трубе [8]. Это связано с тем, что в открытой трубе часть аэрозоля выбрасывается в окружающую среду. На рис. 3 показаны зависимости времени просветления аэрозоля от частоты возбуждения при различных амплитудах смещения поршня, имеющие немонотонный характер с минимальным значением в резонансе. Такой характер зависимости объясняется тем, что при приближении к резонансу, как и в случае закрытой трубы [8], амплитуда вынужденных колебаний аэрозоля увеличивается. Это приводит к уменьшению времени просветления. В резонансе амплитуда достигает максимального значения, соответственно время просветления минимально. За резонансом амплитуда снова уменьшается, приводя к увеличению времени просветления аэрозоля.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Экспериментально изучены вынужденные продольные колебания мелкодисперсного аэрозоля в безударно-волновом режиме в открытой трубе при различных амплитудах смещения поршня. Выявлено, что при малых амплитудах смещения поршня, когда колебания имеют гармонический харак-
тер, наблюдается плавное уменьшение числовой концентрации капель аэрозоля. С ростом амплитуды смещения поршня происходит увеличение размаха колебаний давления, форма колебаний становится отличной от гармонической и уменьшение числовой концентрации происходит быстрее. Показана практически линейная зависимость времени просветления аэрозоля от амплитуды смещения поршня. Обнаружено, что время просветления примерно в 1.5 раза меньше, чем время коагуляции и осаждения в закрытой трубе, и в 6—12 раз ниже, чем при естественном осаждении аэрозоля.
Работа выполнена при финансовом содействии Совета по грантам Президента Российской федерации для государственной поддержки ведущих научных школ РФ (грант № НШ-834.2012.1), по программе ОЭММПУ РАН (№ 13 ОЭ), при финансовой поддержке РФФИ (грант № 13-0100135) и в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 гг. (соглашение № 14.В37.21.0644).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Т. 1. М.: Наука, 1987. 464 с.
2. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е. Нелинейная волновая механика и технология. М.: Регулярная и хаотическая динамика, 2008. 712 с.
3. Temkin S. Suspension Асош!^: An Introduction to the Physics of Suspensions. N.Y.: Cambridge University Press, 2005. 398 p.
4. Гуляев A.M., Кузнецов В.М. Коагуляция аэрозолей под действием периодических ударных волн // Акуст. журн. 1962. Т. 8. № 4. С. 473.
5. Temkin S. Droplet Agglomeration Induced by Weak Shock Waves // Phys. Fluids. 1970. V. 13. P. 1639.
6. Shuster K, Fichman M, Goldshtein A., Gutfinger C. Agglomeration of Submicrometer Particles in Weak Periodic Shock Waves // Phys. Fluids. 2002. V 14. № 5. P. 1802.
7. Губайдуллин Д.А., Зарипов Р.Г., Галиуллин Р.Г., Гали-уллина Э.Р., Ткаченко Л.А. Экспериментальное исследование коагуляции аэрозоля в трубе вблизи субгармонического резонанса // ТВТ. 2004. Т. 42. № 5. С. 788.
8. Губайдуллин Д.А., Зарипов Р.Г., Ткаченко Л.А. Экспериментальное исследование коагуляции и осаждения аэрозоля в закрытой трубе в безударно-волновом режиме // ТВТ. 2012. Т. 50. № 4. С. 603.
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.