ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 6, с. 921-926
УДК 534.2:532.529
РЕЗОНАНСНЫЕ КОЛЕБАНИЯ АЭРОЗОЛЯ В ТРУБЕ С ДИАФРАГМОЙ В БЕЗУДАРНО-ВОЛНОВОМ РЕЖИМЕ © 2014 г. Д. А. Губайдуллин1, 2, Р. Г. Зарипов1, 2, Л. А. Ткаченко1, 2
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики и машиностроения Казанского НЦРАН 2Казанский (Приволжский) федеральный университет E-mail: gubajdullin@mail.knc.ru Поступила в редакцию 18.10.2013 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований нелинейных колебаний мелкодисперсного аэрозоля в трубе с диафрагмой в безударно-волновом режиме вблизи резонансных частот. Получены зависимости размаха колебаний давления аэрозоля от частоты при различных внутренних диаметрах диафрагмы. Даны зависимости числовой концентрации капель колеблющегося аэрозоля от времени. Изучено влияние частоты и амплитуды смещения поршня, а также внутреннего диаметра диафрагмы на время просветления аэрозоля. Показано, что процесс просветления колеблющегося аэрозоля происходит в 5—10 раз эффективнее, чем естественное осаждение.
DOI: 10.7868/S004036441405007X
ВВЕДЕНИЕ
Исследование нелинейных волновых процессов в дисперсных системах является одной из актуальных задач теплофизики и динамики неоднородных сред [1, 2]. Технологии, созданные на основе волнового принципа, могут быть использованы для очистки газов, в том числе высокотемпературных (топочных, дымовых) и радиоактивных, от твердых мелкодисперсных включений; для осаждения аэрозолей, туманов, включая ядовитые, химически активные в ограниченных объемах; для улавливания паров воды, других жидкостей в теплотехнических установках, в частности в градирнях. При этом особый интерес представляют исследования нелинейных колебаний аэрозолей, сопровождающихся коагуляцией и осаждением его капель [3, 4], в трубах с различной геометрией на пассивном торце. Рассмотрена ускоренная коагуляция и осаждение капель машинного масла и табачного дыма [5], капель олеиновой кислоты [6], частиц дыма, полученных от сгорания палки ладана [7] в закрытой трубе при колебаниях с образованием ударных волн вблизи собственных частот. Исследована динамика аэрозоля, получаемого из жидкости диэтилгексилсебаката (ЭБИ8), при колебаниях вблизи субгармонического резонанса, частота которого вдвое меньше первой собственной, в закрытой и открытой трубах [8] и в трубе с фланцами различной геометрии на пассивном конце [9].
В указанных работах экспериментально изучался режим, сопровождающийся образованием периодических ударных волн при значениях амплитуд возбуждения свыше 0.1 бар. Безударно-
волновой режим колебаний, когда пристеночные потери при значениях амплитуд порядка 0.01 бар становятся существенными, исследовался для закрытой и открытой труб [10—12]. Некоторые предварительные результаты по исследованию нелинейных колебаний аэрозоля в частично открытой трубе в безударно-волновом режиме вблизи резонанса даны в работе [13].
Целью работы является экспериментальное исследование процессов коагуляции и осаждения мелкодисперсного аэрозоля при его нелинейных колебаниях в трубе с диафрагмой в безударно-волновом режиме вблизи резонансов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты проводились на установке, используемой ранее для изучения коагуляции и осаждения аэрозоля в трубах [10—13]. Продольные установившиеся колебания аэрозоля в кварцевой трубе 1 длиной L0 = 1.06 м, внутренним диаметром 2R = 0.0365 м создавались плоским поршнем 2 (рис. 1). Поршень приводился в движение вибростендом 4 марки TV51075 с усилителем мощности 5 типа ВАА 120 фирмы TIRA (Дания). Труба удерживалась в вертикальном положении при помощи стяжек 16, закрепленных на станине и насадке, размещенной на верхнем конце трубы. На пассивном конце труба закрывалась крышкой 14, под которой закреплялась диафрагма 13 толщиной 0.008 м с внешним диаметром 0.055 м и с различными внутренними диаметрами D = 0.012, 0.018, 0.024 м. Измерения и контроль над синусо-
13
14
15
16 1
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 — труба, 2 — поршень, 3 — акселерометр, 4 — вибростенд, 5 — усилитель, 6 — контроллер, 7 — компьютер, 8 — осциллограф, 9 — трехканальный мостовой усилитель напряжения, 10 — датчик давления, 11 — аэрозольный генератор, 12 — люксметр, 13 — фланец, 14 — крышка, 15 — источник света, 16 — стяжки.
идальными колебаниями осуществлялись при помощи программного модуля SineVIEW (VR610), установленного на компьютер 7, посредством пьезоэлектрического IEPE акселерометра 3 со встроенной электроникой марки 4513-001 фирмы Bruel & Kjaer (Дания) и контроллера 6 типа VR8 500-1 фирмы Vibration Research Corporation (США). Система измерения давления среды состоит из датчика давления 10 модели 8530С-15 фирмы Bruel & Kjaer (Дания), размещенного вблизи поршня, трехканального мостового усилителя напряжения 9 ENDEVCO модель 136 фирмы Bruel & Kjaer (Дания), цифрового осциллографа 8 модели DSO 3062A Agilent Technologies (США). Управление осциллографом и запись формы и значения выходного сигнала также выполняются с компьютера при помощи программного обеспечения DSO3000. Для определения светопроницаемости аэрозоля использовался измерительный комплекс, состоящий из источника света, которым являлся лазер 15 с длиной волны 630 нм, мощностью 0.16 Вт с дистанционным управлением и люксметра 12 АТТ-1505 фирмы Актаком (Россия). Лазер и светочувствительный датчик люксметра закреплялись на стяжках 16 так, чтобы луч лазера проходил перпендикулярно оси трубы 1 через ее середину и попадал в центр датчика, который регистрировал освещенность. Данные с люксметра подавались на компьютер через интерфейс RS-232 и обрабатывались при помощи специальной программы. Таким образом, при помощи компьютера не только задавались и контролировались частота v и амплитуда l
смещения поршня, но и записывались соответствующие выходные осциллограммы, по которым определялся размах колебаний давления среды и данные, поступающие с люксметра. В качестве рабочей жидкости в данных экспериментах использовался диэтилгексилсебакат С26Н50О4, аэрозоль из нее создавался при помощи аэрозольного генератора 11 ATM 225 фирмы TOPAS (Германия). Распределение по геометрическому диаметру капель аэрозоля определялось лазерным спектрометром LAP-320 (фирма TOPAS) в предыдущих исследованиях [8]. Размер капель аэрозоля находился в диапазоне от 0.839 до 1.06 мкм. При этом максимальное количество капель имело геометрический диаметр 0.863 мкм.
Перед началом экспериментов под крышкой 14 закреплялась диафрагма 13 с необходимым внутренним диаметром. Включались все приборы и выбирались значения частоты и амплитуды смещения поршня. Точность задания частоты — 10-6 Гц, амплитуды — 10-7 м. Записывались начальные значения люксметра Ф0 для воздуха, заполняющего трубу. Измерения освещенности производились с точностью до 1%. Выход аэрозольного генератора 11 соединялся посредствам шланга с отверстием в насадке, расположенной в нижней части трубы. Включался аэрозольный генератор. Аэрозоль равномерно заполнял трубу без избыточного давления за счет отверстия в верхней части трубы. Время заполнения трубы аэрозолем для всех экспериментов составляло t = 23 с. Поскольку расход аэрозольного генератора постоянный, то во всех исследованиях начальная числовая концентрация аэрозоля N0 равнялась 3.5 х 106 см-3. Отметим, что данная начальная числовая концентрация соответствует очень малым объемному и массовому содержаниям капель аэрозоля в трубе ap = 1.2 х 10-5 и
m = 0.92 х 10 соответственно (ар и m определены в [1]).
После полного заполнения трубы аэрозолем до нужной концентрации выключался аэрозольный генератор, входное и выходное отверстия закрывались и фиксировалось показание люксметра Ф1. Затем включался источник синусоидальных колебаний. Когда частота и амплитуда выходили на заданный уровень, записывался выходной сигнал с датчика давления на компьютер. По полученным осциллограммам с точностью до 0.3 мВ замерялось напряжение. Одновременно открывалась диафрагма на пассивном конце трубы, и через каждые 2 секунды снимались показания люксметра Фt до полного осаждения аэрозоля на стенках трубы. Данные сохранялись на компьютере. После каждого измерения прочищалась труба от осажденных капель аэрозоля. После чего эксперимент повторялся в описанной выше последовательности.
2
3
4
РЕЗОНАНСНЫЕ КОЛЕБАНИЯ АЭРОЗОЛЯ В ТРУБЕ С ДИАФРАГМОЙ
923
• 1
■ 2
* 3
■■■■ 4
близки к фундаментальным частотам в открытой
70
75
80
85
90 V, Гц
*
V* =
— = 78.6 Гц и закрытой V! =•
_ _
4Ь (1 + р') 1 2Ь (1 + р')
= 160.7 Гц трубах [16], где с0 — равновесная скорость звука, Ь = Ь0 + а Я — приведенная длина тру- ко-
Рис. 2. Зависимость безразмерного размаха колебаний давления аэрозоля от частоты для различных внутренних диаметров диафрагмы: 1 — Б = 0.012 м, 2 — 0.018, 3 — 0.024, 4 — открытая труба [11, 12]; сплошные линии — аппроксимация Лоренца.
При обработке экспериментальных данных принималось, что зависимость между освещенностью и числовой концентрацией капель аэрозоля в трубе имеет линейный характер и для расчета концентрации можно пользоваться соотношением [10—13]
N = N¡>(0, — Фс)/(Ф1 — Фс), см—3.
Значения напряжения переводились в давление аэрозоля в трубе умножением на коэффициент к = 1.036 х 10—3 бар/мВ.
Эксперименты проводились в широком диапазоне амплитуд смещения поршня в безударно-волновом режиме вблизи резонансных частот. В трубе с диафрагмой с переменным внутренним диаметром на пассивном конце расчет резонансной частоты представляет достаточно сложную задачу. Теоретическое и экспериментальное определения резонансной частоты с использованием различных эмпирических коэффициентов предложены в работах [14, 15]. Резонансные частоты
бы, аЯ — поправка Рэлея, В' = (1 + - , .—
I л/Р^/2Я
эффициент диссипации, Рг — число Прандтля,
5 = -у/ц/пур — толщина вязкого пограничного слоя (слоя Стокса), к — показатель адиабаты, ц — коэффициент динамической вязкости, р — плотность. В силу конструктивных особенностей используемой экспериментальной установки исследования проводились на част
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.