Введение к работе
Актуальность темы. Вихревые потоки представляют собой вахный раздел современной гидро- и аэромеханики. Этот класс течений наблюдается зо многих явлениях природы и широко используется в технике.
В настоящее время находит практическое применение вихревой эффект, заключающийся в температурной разделении закрученного потока газа и открытый Ж. Ранком в 1931 г.
Вихревой эффект и устройство для его осуществления - вихревая - труба - получили распространение в современной технологии. Вихревой эффект успеж-.о используется для фазового и компонентного разделения ' газоконденсатних смесей, низкотемпературной ректификации воздуха, создание промышленных холодильников и т. д.
Эффективность технологических усторойств с использованием вихревых потоков тесно связана с характером течения газа в них.
Вихревые потоки представляют собой трехмерные турбулентные течения. Применение существующих теоретических методов для описания структуры вихревых потоков в большинстве случаев наталкивается на непреодолимые трудкостк. Отсутствие строгой теории для описания этого класса течения ощупается наиболее остро при проектировании и разработке конкретных устройств и технологий.
В настоящее время в исследовании вихреЕых течений ниболыее распространение получили экспериментальные методы, при этом наибольшими функциональными возможностями обладавт бесконтактные методы, которые не вносят возмущений в ' структуру исследуемого потока.
Наиболее перспективными из них являются методи, основанные на применении лазерной техники. Освоекие этих методов и проведение на их базе экспериментальных исследований позволит улучшить технологи-
ческие характеристики вихревых труб, которые благодаря своей простоте к надежности находят широкое применение е технологических схемах нефтяной и газовой промышленности.
Цель работы. Создание методических основ исследования структуры к газогидродинамических параметров закрученных турбулентных потоков реального газа в вихревых трубах с помощью лазерной техники.
Основные задачи исследований:
разработка метода вкзулизации картины течения закрученного турбулентного газового потока;
разработка метода измерения газогидродинаыисеских параметров закрученного турбулентного газового потока с помощью 3-х компонентного лазерного доплеровского анемометра (ДНА) с инверсно-дифференциальной оптической схемой и спектральным мотодси выделения и обработки доплеровского сигнала;
создание экспериментальной установки с цель» проверки предложенных методов исследования структуры и газогидродинамкческих параметров закрученных турбулентных потоков в противоточной вихревой трубе с тангенциальным входом сжатого газа;
отработка методики исследования структуры и газогисродинаыи-ческих параметров течения закрученного турбулентного потока реального газа в вихревой трубе;
Методика исследований. Поставленная задача решалась с помоеыо метода "лазерного нога", позволившего визуализировать структуру турбулентного закрученного потока реального газа, а 3-х компонентного ДНА с инверсно-дкфФеринциалькой оптической схемой и спектральным методом обработки доплеровского сигнала, позволивший получить газодинамические характеристики турбулентного закрученного потока в различных сечениях трубы.
Научная новизна:
разработана методика визуализации картины течения закрученного турбулентного потока газа в вихревой трубе с использованием метола "лазерного ноха". с помощью которой выявлены резины и зоны образования противотока, возникновения вихревых структур и конденсации влаги;
разработана методика измерения газогидродинамических параметров закручешшх турбулентных потоков реального газа в вихревой трубе с помощью ДНА, чувствительного к трем компонентам вектора скорости;
- получен алгоритм вычисления погрешности, обусловленной реф
ракцией лазерных лучей на двух криволинейных стенках канала вихре
вой трубы;
- на основании сопоставления качественных и количественных
данных о структура закрученного турбулентного потока в вихреЕой
трубе обкарухен тороидальный прецессирующий вихрь, ответственный за
высокую степень пульсаций компонент скорости.
Обоснованность и достоверность полученных результатов.
Обоснованность и достоверность полученных в работе данных следует из того, что они основаны на общих требованиях к постановке гидродинамического эксперимента.
Визуализированные картины течения закрученных турбулентных потоков зафиксированы с помощью фотоаппаратуры. Выявленные с помощью 3-х компонентного ЛДА характеристики закрученного турбулентного потока качественно согласуются с известными экспериментальными данными.
Практическая ценность.
Созданные методика и экспериментальная установка позволяют
исследовать структуру и газогидродинамические характеристики сложных многомерных течений в вихревых труоах с гарантируемой точностью, а экспериментальные данные могут быть полезны при разработке конкретных технологических устройств.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались к обсухдались на научных семинарах кафедры нефтегазовой к подземной гидромеханики ГАНГ им.И.М. Губкина (Москва I99I-I993 гг.).
Публикации.
Основное содерханме диссертационной работы изложено в трех публикациях.
Структура и объем работы.