ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2007, том 41, № 6, с. 602-610
УДК 532.5:536.24:546
НЕКОТОРЫЕ СОВРЕМЕННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССОВ В МНОГОФАЗНЫХ ЗЕРНИСТЫХ СРЕДАХ
© 2007 г. Д. А. Казенин, С. П. Карлов, Б. Г. Покусаев, Ю. Н. Скочилова
Московский государственный университет инженерной экологии
Ка2вп1п@пш ги Поступила в редакцию 22.03.2007 г.
Описаны современные оптические, главным образом, иммерсионно-томографические методы исследования гидродинамических, тепловых и массообменных процессов в насыщенной жидкостью зернистой среде. Прозрачность этой композиционной среды обеспечивается соответствующим подбором коэффициента преломления насыщающей жидкости, что позволяет использовать для получения информации о происходящих в ней процессах все известные методы визуализации, включая поляризационно-интерференционную микроскопию. Рассмотрены примеры применения методики к различным техническим задачам.
Современный уровень традиционных технологий, таких как химическая, биотехнология, энергетика и др., связанных с реализацией многофазных процессов, предполагает проведение комплексного исследования полей физических параметров, таких как скорость, плотность, концентрация компонентов, температура сосуществующих фаз, причем изучение необходимо проводить не только с учетом величины этих параметров, но и в связи с динамикой измеряемых сигналов. Исследования должны опираться на такие неразрушающие и не воздействующие на течение процесса методы как оптические. Применительно к прозрачным средам были разработаны методы: ЛДИС [1], Р1У [2], го-лографической интерферометрии, поляризационной микроскопии и флуктуационной спектроскопии [3]. Метод иммерсионной томографии позволяет использовать перечисленные выше методы исследования для изучения процессов в насыщенной жидкостью зернистой среде. Впервые такие исследования были опубликованы в работе [4].
Дальнейшее развитие этих методов и расширение сферы их применимости - цель данной статьи. Коррелированные изменения параметров нестационарных полей температуры, плотности и концентрации и соответствующие корреляционные зависимости изменения оптического сигнала, представляются как передаточные функции связи между входными параметрами и выходными сигналами. Предлагается прямую задачу - определение передаточной функции как зависимости между известным изменением входного параметра и изменением выходного сигнала - и обратную задачу - восстановление по выходному сигналу неизвестного изменения параметра - решать либо на основе уравнений, описывающих изменение
параметров фильтрационного двухфазного потока [5], либо на основе проведения специальных та-рировочных экспериментов, использующих стандартный набор задаваемых входных воздействий и последующего частотного анализа функций отклика [6]. Необходимым условием такого способа построения передаточной функции является использование единого подхода к применению экспериментальных методов, методик обработки данных, выбору оборудования, а также единого теоретического обоснования определяемых и используемых передаточных функций.
Визуализация картины гидродинамического, теплового и массообменного взаимодействий потоков с погруженным в них инородными объектами и ограничивающими стенками является одним из важнейших способов исследования процессов переноса, протекающих в одно- и многофазных средах.
Применение модифицированного метода иммерсионной томографии газожидкостной среды в зернистом слое открывает новые возможности изучения гидродинамики такого рода объектов [7, 8]. Сущность иммерсионного метода визуализации состоит в подборе жидкости, имеющей показатель преломления, практически совпадающий с показателем преломления прозрачных частиц засыпки, в результате чего затопленная жидкостью засыпка становится оптически однородным прозрачным объектом.
В такой среде можно наблюдать, например, за движением пузырьков в любой проекции. Это движение, зависящее от взаимодействия пузырька с элементами засыпки, является трехмерным и весьма сложным. Для восстановления объемной
структуры траектории пузырька были использованы известные методы оптической томографии, основанные на просвечивании объекта в разных направлениях и восстановлении распределения оптических параметров в объеме зондируемого объекта.
Следует заметить, что особенностью метода иммерсионной томографии является возможность вариативного подбора иммерсионной жидкости. Оставляя постоянным лишь показатель преломления этой жидкости, равный показателю преломления материала засыпки, можно существенно видоизменить другие ее свойства, играющие важную роль в процессах переноса (плотность, вязкость, теплопроводность, коэффициенты диффузии и поверхностного натяжения, способность растворять газы и т.п.). Вместе с тем подбор состава этой жидкости должен удовлетворять требованиям экологической чистоты и устойчивости.
Для моделирования с помощью иммерсионной жидкости различных режимов течения, с целью обеспечения необходимых значений всего комплекса физических параметров, применяют смеси отдельных жидкостей [7, 8]. В этом случае для ускорения подбора жидкостей с необходимым набором физических свойств удобно использовать параметры, с одной стороны, включающие в себя величины, характеризующие физические свойства, а с другой, обладающие аддитивными свойствами. Одним из таких параметров является па-рахор, который, как и молекулярная рефракция, не зависит от температуры и приближенно является аддитивной функцией. Парахор связывает между собой плотность, молекулярную массу и поверхностное натяжение, а молекулярная рефракция - плотность и показатель преломления. Их совместное использование позволяет целенаправленно подбирать смеси отдельных жидкостей для моделирования гидродинамических и тепломассообменных процессов.
ДВИЖЕНИЕ ПУЗЫРЬКОВ В ЗЕРНИСТОМ СЛОЕ
Стенд для исследования гидродинамических и тепло-массообменных процессов в зернистых слоях представляет собой замкнутый гидродинамический контур. Сменный рабочий участок -это канал прямоугольного сечения 0.05 х 0.05 м и высотой 0.2 м, стенки которого изготовлены из оптического стекла К8, или стеклянные трубки диаметром от 0.02 до 0.04 м и длиной 0.4 м, которые располагали вертикально или под углом к вертикали. Для формирования необходимого слоя частиц на рабочем участке предусмотрена установка сеток, изготовленных из нержавеющей стали, которые можно размещать на необходимой высоте. В рабочем участке размещали различные зернистые слои, отличающиеся размером и фор-
мой частиц. Использовали как прозрачные шары правильной формы, изготовленные из оптического стекла, диаметром от 1 до 10 мм, так и частицы неправильной формы типа крупки.
Для выравнивания потока на входе в прямоугольный рабочий участок был установлен хоней-комб. Регулировку расхода жидкости проводили изменением числа оборотов насоса с асинхронным двигателем, оснащенным системой частотного регулирования числа оборотов. Термостабилизацию рабочей жидкости, которая особенно необходима при работе по иммерсионной методике, осуществляли с помощью специального теплообменника за счет циркуляции воды от внешнего термостата. Для исследования и контроля процессов в зернистом слое служили различные оптические системы.
Характеристики иммерсионной жидкости и зернистых слоев, а также данные об экспериментальных значениях скорости подъема и латерального рассеяния, малых по сравнению с размером элемента засыпки пузырьков, полученных методом иммерсионной томографии, приведены в работе [9]. Там же приведены данные о подъеме крупных пузырей. Следует заметить, что эти данные существенно ниже теоретических оценок работы [10], полученных на основе точного решения стационарных уравнений Дарси. Это расхождение можно объяснить малой протяженностью экспериментального участка, не позволяющей выйти на стационарную скорость всплытия. Кроме того, в указанном теоретическом решении скорость всплытия зависит от проницаемости среды, т.е. от диаметра зерна засыпки, а не от размера всплывающего пузырька.
В наших экспериментах было показано, что подъемное движение пузырьков, зависящее от их взаимодействия с элементами засыпки, является трехмерным и весьма сложным. Поведение свободно всплывающих пузырьков существенно различается в зависимости от соотношения размеров пузырьков и шариков засыпки. Для мелких, по сравнению с частицами засыпки пузырьков, их подъемное движение оказалось замедленным в 1.5-4 раза в сравнении со всплытием в свободном объеме жидкости и имеющим существенное поперечное рассеяние. Движение же конгломератов из нескольких пузырьков, превосходящих по размеру частицы засыпки, как оказалось, имеет две модификации: всплывание в виде "трейнов" -связанных цепочек пузырей, проскальзывающих в промежутки между шариками, и всплывание в виде "амебообразных" пузырей, имеющих свою конфигурацию и могущих временно "поглощать" отдельные частицы засыпки.
Траектории такого всплытия в обоих случаях близки к винтовым в однородном зернистом слое. При организации в зернистом слое искусствен-
ных вертикальных каналов диаметром, близким к размеру элементарного пузырька, составляющего конгломерат, движение "трейнов" упорядочивается и происходит вдоль этих каналов. Боковая поверхность поднимающихся "трейнов" оказывается волнистой, сообразно с волнистостью стенок направляющего канала. В некоторых случаях наблюдается неустойчивость боковой поверхности "трейна", напоминающая гельмгольцовскую неустойчивость, в результате чего от поднимающегося "трейна" может отделиться "дочерний" пузырек, захватываемый основным массивом зернистого слоя.
Наблюдаемые экспериментальные факты дают основание считать, в первом приближении, что затопленный зернистый слой является высоковязкой диспергирующей (рассеивающей) средой, характеризующейся эффективной вязкостью и поперечной диффузией (дисперсией).
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА В ЗАТОПЛЕННЫХ ЗЕРНИСТЫХ СЛОЯХ
Процессы межфазного тепло- и массообмена жидкость-твердое, жидкость-газ, происходящие в глубине многофазных сред, очень важны и интересны для приложений, но в тоже время ма
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.