Содержание к диссертации
Введение
Глава первая Обзор эксперементальных и теоретических работ, посвященных вопросу 9
1.1. Обзор существующих устройств для измерения уровня жидкости в. энергетических установках 9
1.2. Обоснование необходимости создания устройства для измерения уровня жидкости і І ; 12
1.3. Обзор работ, посвященных распространению незатопленных струй; 16
1;4. Обзор работ, посвященных изучению движения газо-жидкостных смесей и растеканию вертикальных аэрированных потоков 23
1;5. Основные задачи исследований 30
Глава вторая Теоретические основы исследования 34
2;1. Определение критериальных зависимостей процесса распа да напорной осесимметричной струи жидкости, вытекаю щей, в атмосферу 34
2.2. Составление и решение уравнения движения аэрированной струи жидкости 35
ГЛАВА ТРЕТЬЯ Методика проведения лабораторных исследований 46
3.1. Описание экспериментального стенда 46
3.2. Описание устройства для измерения диаметра незатопленной струи и методика измерений 48
3.3. Описание устройства для измерения полного напора час тично затопленной аэрированной струи 50
3.4. Описание прибора и методики измерения концентрации воздуха в аэрированной струе 53
3.5. Общая характеристика выполненных опытов 58
ГЛАВА. ЧЕТВЁРТАЯ
Результаты экспериментальных исследований незатоплен- ной и частично затопленной аэрированных струй 61
4.1. Некоторые характеристики осесимметричной напорной струи жидкости, вытекающей в атмосферу 61
4.2. Распределение локальной концентрации воздуха в струе, перешедшей из незатопленного состояния в затопленное 74
4.3. Исследование закономерности изменения полного осевого напора вдоль вертикальной оси частично затопленной аэрированной струи 92
4.4. Методика расчёта гидродинамических параметров вдоль вертикальной оси аэрированной струи, перешедшей из незатопленного состояния в затопленное 108
ГЛАВА ПЯТАЯ Экспериментальные исследования устройства для измерения уровня жидкости
5.1. Влияние геометрических и гидродинамических параметров на характеристику устройства для измерения уровня жидкости 112
5.2. Влияние полого цилиндра на статическую характеристику струйного устройства для измерения уровня жидкости 130
5.3. Совместная работа струйного устройства для измерения уровня жидкости и струйного пропорционального усилителя /СПУ/ 136
5.4. Методика расчёта устройств для измерения уровня жидкости 141
Основные выводы . 155
Литература
- Обзор работ, посвященных распространению незатопленных струй;
- Составление и решение уравнения движения аэрированной струи жидкости
- Описание устройства для измерения полного напора час тично затопленной аэрированной струи
- Распределение локальной концентрации воздуха в струе, перешедшей из незатопленного состояния в затопленное
Введение к работе
Разработка и внедрение новых, более эффективных методов получения электроэнергии является одной из основных задач, поставленных Коммунистической партией Советского Союза и Советскшл правительством в области энергетики.
Видное место в энергообеспечении страны в XI пятилетке отводится атомным электростанциям.
В этой связи вопрос чёткой, безаварийной работы атомных электростанций становится актуальным не только с точки зрения бесперебойной выработки электроэнергии, но и с точки зрения охраны окружающей среды. Поэтому большое внимание уделяется автоматизации технологических процессов на атомных электростанциях. "Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года" предусматривают значительное повышение технического уровня и качества средств автоматизации, увеличение их надёжности и долговечности.
Важное место в решении этих задач занимает струйная пневмогид-роавтоматика - новая отрасль технических средств автоматического управления, обладающая рядом преимуществ перед электронной и электрической автоматикой при работе в условиях агрессивных сред, больших температур и давлений.
Несмотря на всё более широкое внедрение элементов струйной автоматики в автоматизированные системы управления технологическими процессами, в том числе и на атомных электростанциях, гидродинамические процессы, которые положены в основу действия этих приборов изучены ещё недостаточно, что препятствует разработке достаточно обоснованных методов их расчёта.
Проблема оптимизации некоторых устройств автоматики во многом связана с выявлением закономерностей движения свободных струй жидкости, перешедших из незатопленного состояния в затопленное и движения аэрированных струй.
Кроме того, большое внимание к движению газожидкостных потоков вызвано не только широким их распространением в живой и неживой природе, но и в связи с потребностями практики - аэрированные потоки всё более интенсивно используются в процессах химической и пищевой технологии, в ядерной и гидроэнергетике. С вопросами аэрации жидкости сталкиваются при проектировании различных устройств и сооружений. Например, при проектировании гидротехнических сооружений / быстротоки, сопряжение бьефов и т.п. /, при проектировании устройств для разлива металлов, очистных сооружений водоотведения, установок для обогащения руд и т.п.
Произведённый обзор литературы показал, что в настоящее время отсутствует достаточно точная методика расчёта таких течений и нет обоснованных рекомендаций по количественной и качественной оценке структуры частично затопленных струй, что связано с недостаточной их изученностью.
Поэтому проведение систематических экспериментальных исследований процесса перехода струи жидкости из незатопленного состояния в затопленное является актуальной задачей.
В данной работе экспериментально изучаются гидродинамические характеристики /полный напор, скорость и концентрация воздуха/ вдоль вертикальной оси частично затопленной струи в зависимости от условий истечения.
Кроме того, в работе проведены гидродинамические исследования нового струйного устройства для измерения уровня жидкости, в котором используется переход свободной осесимметричной струи жидкости из незатопленного состояния в затопленное.
Очевидно, что для выявления основных закономерностей изменения гидродинамических параметров вдоль вертикальной оси частично затопленной струи необходимо изучить процесс распространения вертикальной осесимметричной струи до перехода её под уровень свободной поверхности жидкости.
С этой целью, на основании анализа размерностей нами были получены предварительно в общем виде уравнения для определения диаметра свободной незатопленной осесимметричной струи жидкости, распространяющейся вертикально вниз.
Тем же методом была получена структура формулы для определения концентрации воздуха в частично затопленной аэрированной струе. Величины постоянных коэффициентов, входящих в эти уравнения, определялись из экспериментов.
Кроме того, в работе предложена модель свободной аэрированной затопленной струи жидкости, составлены уравнения её движения, при решении которых получено выражение, связывающее осевые гидродинамические параметры /полный напор, скорость, локальную концентрацию воздуха/.
Для проведения необходимых экспериментальных исследований была создана специальная установка, позволяющая изучать процесс перехода струи жидкости, формируемой цилиндрическими насадками /соплами/, из незатопленного состояния в затопленное при движении её вертикально вниз.
Б первой части экспериментальных исследованй изучен процесс распада свободной незатопленной струи жидкости. Для цилиндрических насадков получены зависимости изменения диаметра высоконапорной вертикальной струи от перепада давления питания, и расстояния /не более 100 oL / до среза сопла питания.
Во второй части экспериментальных исследований изучено распределение концентрации воздуха вдоль и поперёк частично затопленной аэрированной струи и изменение полного напора вдоль её вертикальной' оси.
В третьей части экспериментальной работы проведены гидродинамические исследования струйного устройства для измерения уровня жидкости, в котором свободная осесимметричная струя жидкости переходит из незатопленного состояния в затопленное.
На основании соответствующей обработки экспериментальных данных /с учётом аналитически полученных выражений и безразмерных критериев/ на защиту выносятся: результаты экспериментальных исследований и выявленные основные закономерности движения вертикально вниз незатопленных осесимме-тричных струй жидкости и частично затопленных аэрированных струй ; рассчётные эмпирические зависимости для определения осреднён-ных гидродинамических параметров вдоль вертикальной оси частично затопленной аэрированной струи ; новую конструкцию струйного устройства для измерения уровня жидкости, предназначенного для использования в системах дистанционного управления технологическими процессами в сложных условиях повышенной радиации и электромагнитных полей ; методику рассчётного построения статической характеристики предлагаемого устройства.
Обзор работ, посвященных распространению незатопленных струй;
В последние десятилетия, в различных областях техники находят широкое применение приборы и устройства, использующие движение незатопленных струй жидкости /гидромониторы, камеры сгорания реактивных двигателей, бескарбюраторные двигатели внутреннего сгорания, гидроструйные двигатели и т. д./.
В этой связи движение незатопленной струи жидкости и связанные с ним физические процессы аэрации и распада жидкостных струй являются важными вопросами и их изучение представляет определённый интерес.
Литература по теории струй и экспериментальному исследованию струйных течений насчитывает многие сотни наименований. В данном параграфе будем рассматривать только те работы по изучению свободных незатопленных струй, которые наиболее интересны в свете наших исследований.
Экспериментальное изучение незатопленных струй жидкости началось еще с эпохи Возрождения. Систематическое же изучение процессов движения и распада свободных незатопленных жидкостных струй было начато работами физиков конца XIX века [91] , [92] , [93] .
После этих классических работ в изучении струйных течений наступил относительный перерыв до 30-х годов XX века, когда бурное развитие техники, в частности, приборов и устройств, использующих незатопленные струи привело к дальнейшему теоретическому и экспериментальному исследованию свободных незатопленных струй жидкости.
В работе [25J А. Генлейн изучал влияние физических свойств жидкости на процесс распада незатопленной струи жидкости. Им установлено, что длина сплошной части струи зависит от скорости истечения и диаметра насадка.
Изучению влияния различных форм насадков и противодавления на струю /её дальнобойность, коэффициент скорости, угол расширения/ посвящена работа 0, Гольдфельдера [27J . Её результаты позволяют ориентировочно выбирать ту или иную форму насадка в зависимости от назначения струи.
В работе [24]Н.П. Гавырина впервые изучалось распространение высоконапорной струи жидкости в воздухе. Исследовались водяные струи, вытекающие из сопел с Ct0 = /5,0 ;10,0 ;15,8/ мм, напором от 5 до 40 метров водяного столба. Автор исследовал структуру и форму струй, их дальнобойность, производительность струй при врубе, удельное давление и скорости по оси струй, полное давление струи на нормально расположенную плоскую преграду. Работа Н.П. Гавырина сыграла большую роль, так как определила дальнейшее направление исследования высоконапорных струй и методику экспериментальных исследований этих струй.
В работе [б7] автором предпринята попытка приближённого анализа процесса распиливания при дозвуковом истечении через сопла в покоящуюся газовую среду, исходя из схемы, в которой струя рассматривается состоящей из отдельных молей, подверженых пульсации. Автор считает, что распыливание начинается тогда, когда скорость моля в поперечном направлении будет достаточной для того, чтобы преодолеть силы вязкости и поверхностного натяжения. Автор выводит критическое число Вебера и скорость струи, при которых начинается распыливание .
В работе [51] Н.С. Панасенкова с помощью электроконтактного способа определялась длина сплошной части водяной струи. Его опыты показали, что с увеличением скорости истечения уменьшается длина сплошной части струи.
В работе [94] авторы с помощью анализа размерностей получили выражение для определения длины распада струи /т.е. длины начального участка/ в зависимости от безразмерных критериев: {(Ki htY-n І ІЇІ / Обработка фотографий струй, формируемых горизонтальной трубой, позволила определить длину начального участка, который по наблюдениям авторов составил 100 0Lo , что согласуется с выводами работ [47] - [50J Этот вывод может быть использован в наших исследованиях.
На основании обработки экспериментальных данных авторами работы [94] была получена эмпирическая формула
Из исследований последних лет следует отметить диссертацию Б.К. Васильева [19] , в которой он исследовал процесс распада неза-топленных струй жидкости, формируемых различными насадками. В результате исследований автор предлагает, в частности, эмпирическую формулу для определения границы незатопленной турбулентной струи где А,цт,п - коэффициенты для разных типов насадков. Эта формула, однако, не учитывает влияние безразмерного критерия We , ТІЄІ не учитываются силы поверхностного натяжения, что, на наш взгляд, не совсем корректно.
Известно, что турбулентная струя воды, вытекающая в атмосферу, представляет собой на значительной части её длины смесь движущейся жидкости и воздуха с переменным по сечению и длине объёмным содержанием компонент;
Составление и решение уравнения движения аэрированной струи жидкости
Перейдём к описанию движения аэрированной затопленной струи, которая представляет собой двухфазное течение и является одним из вариантов движения многофазного потока.
Заметим, что фазой называется одно из состояний вещества, которое может быть газообразным, твёрдым или жидким [70] .
Теоретическое решение задачи о движении двухфазных сред, в силу её сложности, связано с определённым упрощением картины течения и свойств составляющих его компонент.
Один из способов составления дифференциальных уравнений движения двухфазной среды состоит в том [29J , что исходная среда -разрывная - рассматривается как фиктивная сплошная среда, которая будучи эквивалентна исходной, в то же время состоит из непрерывной жидкой фазы и непрерывной газовой фазы, для которых мы можем при - 36 менить аппарат дифференциального исчисления.
Для перехода к количественным соотношениям выделим в двухфазной среде /см. рис. 2/ произвольным образом объём t-Sci. с боковой поверхностью о , который состоит из суммарного объёма жидкой фазы,_Ьс1, , ограниченного суммарной боковой поверхностью S , и суммарного объёма газовой фазы и , ограниченного суммарной боковой поверхностью О , причём LSCL + i-Q-, = .ii . / 2;5 / Запишем уравнения движения для обеих фаз в следующем виде: I 2.6 / / 2.7 / -"" -г.. B+P=$\ff+(vrW 2ЇЇЇ В+р = 5 " з\(іїп )ії1 .3 / индекс соответствует жидкой фазе, а индекс м - газовой фазе /.
Правые части этих уравнений представляют собой отнесённые к единице объёма произведения массы жидкости или газа на полное ускорение, состоящее из локального и конвективного ускорений, причём V) и W есть векторы местных скоростей движения соответственно жидкой и газовой фаз.
Левые части этих уравнений представляют собой сумму отнесённых к единице_рбъёма сил, действующих в объёме .
Векторы D, D - векторы массовых сил, действующих в единице объёма соответственно жидкой и газовой фаз, а г, г - векторы поверхностных сил, отнесённые к единице объёма соответственно жидкой и газовой фаз.
Перейдём к рассмотрению движения всего объёма и будем считать, что: - пузырьки воздуха имеют постоянные размеры и не сталкиваются друг с другом ; - отсутствует проскальзывание между фазами, т.е. - 37 uT uf vL ixf /2#8/ - не происходит насыщения воды воздухом. Поэтому [42] обе фазы можно считать несжимаемыми ; - процесс изотермический ; - процесс стационарный во времени. Поэтому локальные ускорения І ,Ж"=0 /2 9/
В силу сделанных предположений, реальная аэрированная струя заменяется моделью, в которой отсутствует взаимодействие между фазами и которая не взаимодействует с окружающей средой. Это является упрощением реального течения, однако, позволяет вывести некоторые зависимости для определения основных осредненных параметров течения. Будем считать объёмной концентрацией воздуха в выделенном объ ёме и Ф = lim ,4dL . I 2.10 / Перейдём к рассмотрению сил, действующих на фазы в выделенном объёме. Заметим, что для получения квазинепрерывной модели течения объёмные и поверхностные силы рассчитываются для элемента большего, чем элементарные частицы жидкости, капли или пузырьки воздуха.
Пусть и - удельный вектор массовой силы в объёме ,. Тогда массовая сила, действующая на жидкую фазу в выделенном объёме может быть представлена в виде:
Описание устройства для измерения полного напора час тично затопленной аэрированной струи
Для количественной оценки процесса распада струи жидкости необходимо знать изменение диаметра струи питания в зависимости от перепада давления на сопле питания и расстояния от среза сопла питания.
Принципиальная схема устройства для измерения диаметра свободной вертикальной незатопленной струи показана на рисунке 4. Две тонкие медицинские иглы /I/ с внешним диаметром 0,45 мм располагаются соосно и покрываются изоляцией /2/ за исключением острия, которое контактирует с боковой поверхностью струи. Для ограждения электрической схемы то попадания отдельных капель, отрывающихся от струи, область взаимодействия игл со струёй ограждена изолирующими пластинами.
Иглы перемещаются в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Вдоль оси X - автономно с помощью микровинтов МБ, корпуса которых соединены и с помощью координатника одновременно перемещаются вдоль осей и И "Z
На контактные иглы подаётся переменное напряжение 45 в от блока питания. В электрическую цепь включается чувствительный гальванометр /4/, который фиксирует наличие тока в цепи.
Устойство работает следующим образом. Начальный зазор Ь0 между иглами устанавливается немного меньше предполагаемого диаметра струи на расстоянии Ь от среза сопла питания. С помощью координатника ось Б - Б совмещают с диаметром струи и устанавливают таким образом, при котором концы игл входят на одинаковую глубину в тело струи. При таком положении игл / на участке струи от среза сопла питания до полного её распада / электрическая цепь замкнута и стрелка гальванометра отклоняется от нуля. Затем, обе иглы отводят от струи, электрическая цепь размыкается, стрелка гальванометра устанавливается против нуля. Далее, с помощью микровинтов /MB/ иглы медленно подводятся к струе питания и, по отклонению от нуля стрелки гальванометра, фиксируют положение касания обеих концов игл с боковой поверхностью струи.
Величина диаметра струи а СТр. определяется по величине зазора ! между концами игл при их касании боковой поверхности струи питания.
В данной,работе измерение полного напора в аэрированной струе проводилось с помощью динамических трубок типа Пито.
Обоснование применения этих приборов для измерения полного напора аэрированного потока дано в [99] , [iOO] . В них автор показывает, что лишь при ощутимой степени воздухонасыщённости характеристики измерительных трубок меняются. Объясняется это переменным воздействием на отверстие трубки частиц жидкости и пузырьков воздуха, значительно отличающихся друг от друга плотностью. При таком воздействии набегающего потока на динамическую трубку, динамический напор начинает зависеть не только от частоты и интенсивности импульсов, но и от инерции и сопротивления всей гидравлической системы.
В своей диссертации Э.Р. Жулаева анализирует влияние воздуха на работу трубок Пито и приходит к выводу, что [ЗЗ] "применение измерительных трубок Пито оправдано в случае потока воды, насыщенного пузырьками воздуха. Помимо абсолютного значения полного напора для определения скорости аэрированного потока, нужно ещё знать содержание воздуха в исследуемой точке".
Не останавливаясь более подробно на этом вопросе, отметим лишь те положения, на которых основано применение динамических трубок типа Пито. 1. В плоскости перпендикулярной направлению осреднённой скорости потока, осреднённое статическое давление постоянно и равно таковому для неаэрированной части потока той же жидкости - (cm. . 2. Пузырьки воздуха обладают одинаковыми размерами. 3; При использовании трубок Пито пренебрегаем влиянием пульса-ционной скорости.
Для проведения экспериментальных исследований использовалась малоинерционная полуавтоматическая регистрационно- измерительная система с малым сопротивлением, разработанная на кафедре гидравлики МЭИ и представленная на рисунке 5.
Трубка полного напора /I/ изготовлена из медицинской иглы с внешним диаметром 0,8 мм согласно рекомендациям [53] , вводится в поток строго вертикально и перемещается по трём взаимно перпендикулярным направлениям с помощью координатника /2/. Точность установки трубки в любой точке потока составляет і 0,2 мм.
Трубка полного напора с помощью короткого силиконового шланга /3/ соединяется с ёмкостью /4/, одна из стенок которой изготовлена из тонкой мембраны; Вся система - /I/, /3/, /4/ заполнена водой, что исключает попадание в неё пузырьков воздуха, которые вносили бы дополнительную погрешность в измерения.
На мембрану наклеены полупроводниковые тензодатчики /5/ типа КТД 2Б и подключены к усилителю для тензометрических измерений "ТА-5" /6/. Тензодатчики и обмотки трансформатора усилителя мощности синусоидальных импульсов образуют измерительный мост, который запитывается напряжением 6 вольт 7000 герц.
Распределение локальной концентрации воздуха в струе, перешедшей из незатопленного состояния в затопленное
Экспериментальные исследования по определению локальной концентрации воздуха вдоль вертикальной оси свободной частично затопленной аэрированной струи проводились на установкеІ изображённой на рисунке 6;
Для формирования незатопленной струи жидкости были изготовлены геометрически подобные сопла /см; рисунок 7/ с выходным внутренним диаметром а0 равным 5,0 мм и 10,0 мм;
Сопла питания и электрический зонд для определения локальной концентрации воздуха устанавливались таким образом, чтобы при их взаимном перемещении вертикальная ось струи питания /незатопленной и затопленной её частей/ совпадала с осью проволочного электрода.
Заметим, что перед установлением количественных закономерное тей распределения воздуха в струе, перешедшей из незатопленного состояния в затопленное, необходимо выявить механизм распространения воздуха в ней.
С этой целью был проведён эксперимент по определению локальной концентрации воздуха в осесимметричной струе, перешедшей из незатопленного состояния в затопленное при фиксированных начальных и различных граничных условиях. /Под начальными условиями будем понимать динамические условия истечения. Под граничными условиями -геометрические параметры рассматриваемого течения: сх0) L; п /.
Изменение расстояния от среза сопла питания до уровня свободной поверхности происходило дискретно. При этом предполагается, что изменение перепада давления питания д гтт. и внутреннего диаметра d0 сопла питания приводят к изменению только количественных характеристик полей локальных концентраций воздуха в частично затопленной струе, а качественно картина распределения воздуха в струе остаётся неизменной.
Прежде чем говорить о распределении воздуха в частично затопленной струе, дадим наше, исходя из намеченных задач исследований, определение "границы частично затопленной аэрированной струи".
Известно, что для затопленной турбулентной струи понятие "границы струи" не может быть точно определено в силу турбулентной природы течения. Поэтому ряд авторов, исходя из конкретных задач, даёт разные определения понятия "внешняя граница затопленной струи".
Так в работе \з6] за внешнюю границу струи принимается поверхность, на которой скорость равна нулю.
В работе \l \ границей считается поверхность, на которой значение скорости отличается от краевых на некоторую, наперёд заданную величину, например на I %
В работе [ІОІ] за границы струи принята поверхность, вдоль которой выполняется условие U = 1/0.
Известны работы, в которых изучались геометрические параметры струи жидкости, перешедшей из незатопленного состояния в затопленное. Так например, в своей диссертации В.Я. Каплинский фотографировал процесс перехода незатопленной струи жидкости границы раздела среды водяной пар-вода. Было отмечено, что угол расширения лежит в пределах 15- 25 т.е. мало отличается от угла раскрытия свободной затопленной струи.
Однако, условия проведения нашего эксперимента иные. Поэтому были проведены соответствующие исследования на установке, изображённой на рисунке 5, а так же визуальные наблюдения.
За внешнюю границу свободной вертикальной частично затопленной аэрированной струи принималась коническая поверхность, на которой средняя скорость движения равна нулю.
Было отмечено, что струя жидкости, перейдя границу раздела фаз воздух-вода, расширяется не сразу, а с расстояния 2 с/0 от уровня свободной поверхности. Угол раскрытия струи лежит в пределах 15 -- 25 , для каждой струи он не постоянен и граница имеет излом /см. рис. 16, 17, 18/.
На рисунках 16, 17, 18 показаны поля локальных концентраций воздуха в различных по глубине поперечных сечениях частично затопленной аэрированной струи, построенные с помощью прибора, описанного в 2.5.
Диаметр сопла питания, сформировавшего частично затопленную струю - 10,0 мм. Перепад давления на нём - 0,1 атм. Расстояние от среза сопла питания до уровня свободной поверхности изменялось дискретно и было равно: 20 мм, 200 мм, 400 мм.
Анализируя приведённые результаты, можно выявить некоторые закономерности распространения воздуха вдоль и поперёк частично затопленной аэрированной струи.
