ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2013, том 452, ^ 2, с. 161-164
МЕХАНИКА
УДК 532.529:534.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИИ АЭРОЗОЛЯ В ТРУБАХ В БЕЗУДАРНО-ВОЛНОВОМ РЕЖИМЕ ВБЛИЗИ РЕЗОНАНСА
© 2013 г. Член-корреспондент РАН Д. А. Губайдуллин, Р. Г. Зарипов, Л. А. Ткаченко
Поступило 14.03.2013 г.
DOI: 10.7868/S0869565213270108
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]. Колебательные процессы в двухфазных средах, заполняющих ограниченные объемы, рассматриваются в [2, 3]. При этом значительный интерес представляет исследование указанных процессов в нелинейных режимах, которые характеризуются появлением разрывных колебаний, крупномасштабных вихрей [4], а также коагуляцией взвешенной фазы [5, 6]. Нелинейные колебания аэрозолей вблизи первой собственной частоты изучаются в экспериментальных работах [7—9], а в [10] исследуется случай колебаний вблизи вдвое меньшей частоты (субгармонический резонанс). Выяснено, что появление периодической ударной волны (порядка 0.1—0.4 бар) в резонансе приводит к ускоренной коагуляции и осаждению капель и частиц, которые заканчиваются уже через несколько секунд. Исследование нелинейных колебаний аэрозоля в закрытой трубе показало [11], что даже в безударно-волновом режиме при малых амплитудах (порядка 0.01 бар) коагуляция и осаждение аэрозоля происходят в несколько раз эффективнее, чем в отсутствие колебаний. В настоящей работе подробно исследуются нелинейные колебания аэрозоля в закрытой и открытой трубах в безударно-волновом режиме вблизи первой собственной частоты.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Исследование проводили на экспериментальной установке (рис. 1), содержащей трубу-резонатор, систему возбуждения колебаний и систему регистрации параметров процесса. Колебания аэро-
золя в трубе-резонаторе 1 возбуждались плоским поршнем 3 при помощи вибростенда TV51075 ("TIRA") 4 и контролировались программным модулем Sine VIEW, установленным на компьютер, посредством пьезоэлектрического IEPE акселерометра 4513-001 ("Bruel & Kjaer") и контроллера VR8500-1 ("Vibration Research Corporation"). Кварцевую трубу-резонатор длиной L = = 1.06 м и внутренним диаметром 2R = 0.0365 м устанавливали вертикально при помощи стяжек 7 и герметически соединяли с металлическим цилиндром, в котором колебался поршень. На пассивном конце труба закрывалась герметичной крышкой для исследований в закрытой трубе или крышкой с отверстием, совпадающим с внутренним диаметром трубы, для исследований в открытой трубе. Для измерения давления среды ис-
6—[>
lib
Институт механики и машиностроения
Казанского научного центра Российской Академии наук,
Казань
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — труба, 2 — источник света, 3 — поршень, 4 — вибростенд, 5 — датчик давления, 6 — люксметр, 7 — стяжки.
1
2
5
162
ГУБАИДУЛЛИН и др.
N, 106 см
1 -
l = 0.15 мм
l = 0.25 мм
l = 0.30 мм
N, 106 см
2 -
l = 0.5 мм
l = 1.0 мм
l = 1.7 мм
Рис. 2. Зависимости числовой концентрации капель аэрозоля и колебаний давления среды вблизи поршня от времени на наблюдаемой резонансной частоте при различных амплитудах смещения поршня: а — для закрытой трубы; б — для открытой трубы; линия — экспоненциальная аппроксимация.
пользовали датчик давления 8530С-15 ("Bruel & Kjaer") 5 с трехканальным мостовым усилителем напряжения ENDEVCO-136 ("Bruel & Kjaer") и цифровым осциллографом DSO 3062A ("Agilent Technologies"). Для определения светопроницаемости аэрозоля применялся комплекс, состоящий из лазера 2 с длиной волны 630 нм с дистанционным управлением, являющегося источником света, и цифрового люксметра АТТ-1505 (Актаком) 6. В качестве рабочей жидкости применяли диэтилгексилсебакат С26Н50О4. Аэрозоль из нее создавался аэрозольным генератором ATM 225 (TOPAS). Размер капель полученного аэрозоля составлял от 0.839 до 1.06 мкм [10]. При этом максимальное количество капель имело геометрический диаметр 0.863 мкм.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Измерения проводили при различных значениях амплитуды смещения поршня в диапазоне частот, содержащих резонанс. Наблюдаемые резонансные
частоты при наличии поглощения V * = 160.7 Гц для
закрытой трубы и V* = 78.6 Гц для открытой трубы отличались от соответствующих резонансных частот V! = 161.8 Гц и V! = 80.1 Гц, рассчитанных по линейной теории. Эксперименты проводили в два этапа. На первом этапе измеряли давление среды. Запускалась программа для синусоидальных испытаний, и после достижения частоты и амплитуды заданного уровня записывался выходной сигнал с датчика давления. На втором этапе замеряли светопроницаемость колеблющегося аэрозоля. Источник света и светочувствительный датчик люксметра размещали на стяжках так,
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ АЭРОЗОЛЯ
163
чтобы луч света проходил перпендикулярно оси трубы через ее середину и попадал в центр датчика. Записывалось начальное значение люксметра Ф0 для воздуха, заполняющего трубу. Затем при помощи аэрозольного генератора трубу заполняли аэрозолем через отверстие насадки в ее нижней части без избыточного давления. Время заполнения трубы аэрозолем выбирали таким образом, чтобы его начальная концентрация для всех экспериментов оставалась постоянной и равной 3.5 • 106 см-3. После заполнения трубы аэрозольный генератор выключали, фиксировали показание люксметра Ф! и запускали колебания.
Изменение светопроницаемости аэрозоля в ходе эксперимента приводило к изменению освещенности Ф^, которая измерялась люксметром и регистрировалась на компьютере через определенные промежутки времени. Принимали, что зависимость между освещенностью и концентрацией аэрозоля в трубе имеет линейный характер и для расчета концентрации можно использовать
соотношение [10]:
с Ф - Фп
N = 3.5 • 106 Ф Ф 0
Ф1 - Ф о
см
-3
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Получены зависимости колебаний давления и числовой концентрации капель аэрозоля от времени при различных значениях амплитуды смещения поршня на наблюдаемой резонансной частоте V* = 160.7 Гц для закрытой трубы (рис. 2а) и
наблюдаемой резонансной частоте V* = 78.6 Гц для открытой трубы (рис. 2б). Во всех случаях с течением времени числовая концентрация капель монотонно уменьшается. В закрытой трубе это связано с коагуляцией и осаждением капель аэрозоля на стенках трубы. В открытой трубе помимо коагуляции и осаждения капель происходит также частичный выброс аэрозоля из открытого конца трубы в виде пульсирующей струи. Наблюдаемая эффективная коагуляция капель и их осаждение в закрытой и открытой трубах обусловлены вторичными течениями, образующимися вследствие нелинейности резонансных колебаний. Принимаем, что время изменения числовой концентрации в закрытой трубе есть время коагуляции и осаждения аэрозоля, а в открытой трубе — время просветления аэрозоля. При естественном осаждении наблюдается плавное уменьшение концентрации аэрозоля во времени и время процесса в 2—4 раза и 6—12 раз больше, чем при наличии колебаний в закрытой и открытой трубах соответственно. Зависимости при маленьких значениях амплитуды смещения поршня носят пологий характер. С увеличением амплитуды рассматриваемый процесс ускоряется, и зависимости характе-
и с 160
140
120
100
80
60
0.94 0.96 0.98 1.00 1.02
1.04
у/У*
Рис. 3. Зависимость времени коагуляции и осаждения (I) и просветления (II) аэрозоля от частоты колебаний: линия — полиномиальная аппроксимация.
ризуются большей кривизной. Это связано с тем, что при малых амплитудах смещения поршня колебания среды подчиняются гармоническому закону как в закрытой, так и в открытой трубах: форма волны давления имеет непрерывный и симметричный вид. С ростом амплитуды размах колебаний давления увеличивается. При этом в закрытой трубе наблюдается деформация формы волны давления (время сжатия меньше, чем время разряжения), а в открытой трубе эпюры колебаний давления сохраняют форму, близкую к гармонической.
По полученным результатам определяли время коагуляции и осаждения аэрозоля для закрытой трубы и время просветления аэрозоля для открытой трубы для различных частот колебаний. На рис. 3 представлены соответствующие графики для амплитуды смещения поршня I = 0.3 мм, где каждая точка соответствует отдельному эксперименту. Наблюдается немонотонный характер зависимостей времени коагуляции и осаждения и времени просветления от частоты колебаний с минимумом на резонансной частоте. Это объясняется тем, что при приближении к резонансу амплитуда колебаний аэрозоля увеличивается, что приводит к уменьшению времени процесса. В резонансе амплитуда максимальная, соответственно, время процесса достигает минимального значения. За резонансом амплитуда снова уменьшается, приводя к увеличению времени. Можно отметить, что время просветления аэрозоля в открытой трубе примерно в 1.5 раза меньше, чем время коагуляции и осаждения аэрозоля в закрытой трубе. Это связано с тем, что в открытой трубе часть аэрозоля выбрасывается в окружающую среду.
Таким образом, при нелинейных колебаниях аэрозоля в закрытой и открытой трубах в безударно-
164
ГУБАЙДУЛЛИН и др.
волновом режиме при малых амплитудах смещения поршня наблюдается эффективная коагуляция и осаждение капель по сравнению с естественным осаждением. С увеличением амплитуды колебаний время коагуляции и осаждения аэрозоля уменьшается.
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—01—00135) 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. М.: Наука, 1987. Т. 1. 464 с.
2. Ганыев Р.Ф., Кобаско Н.И., Кулик В.В., Лакиза В.Д., Малышев П.А., Пучка Г.Н., Украинский Л.Е., Ца-пенкоА.С. Колебательные явления в многофазных
средах и их использование в технологии. Киев
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.