Обзор научных статей по современным теоретическим исследованиям гидродинамики двухфазных потоков

Санкт-Петербургский  государственный национальный исследовательский  университет информационных технологий, механики и оптики

Институт  холода и биотехнологий

 

 

Кафедра процессов и аппаратов  пищевых производств

 

 

 

РЕФЕРАТ

на тему: «Обзор научных статей по современным теоретическим исследованиям гидродинамики двухфазных потоков»

 

 

 

Выполнила: Вольнова Е. А.

Группа: 5ПА

Проверил: Новоселов А. Г.

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012

 

Обзор литературных данных

 

Движение газожидкостных потоков  в каналах, будь это элементы рабочего объема технологических аппаратов  или коммуникации, несмотря на огромное количество научных статей, изучено  не достаточно, чтобы получить надежные теоретические зависимости для  проведения инженерных расчетов.

Основываясь на определениях «надежных» и «ненадежных» наук, которые дал  в своем президентском послании Американской ассоциации за научный  прогресс Кеннет Боулдинг, двухфазные газожидкостные потоки  в технических приложениях можно отнести к «ненадежным» наукам [24].

Обусловлено такое заявление было целой совокупностью причин, а  именно:

– газожидкостные потоки характеризуются бесконечным разнообразием геометрических форм поверхности контакта фаз и режимов течения;

– долго сохраняющимся влиянием гидродинамической предыстории;

– разнообразными формами неравности, например, образование пузырей при фазовом переходе  или механическом диспергировании;

– сильное влияние небольших примесей ПАВ и малых изменений в геометрии диспергаторов, например, шероховатости стенок сопел и т.п.

Автор работы [24] достаточно убедительно показывает, что строгой теории течения двухфазных потоков нет, и “…если мы желаем положиться в расчетах на теорию, зная, что многие члены в уравнениях имеют эмпирическую основу, то было бы весьма разумно «подпереть» расчеты на ЭВМ, как можно более широкими экспериментальными результатами”. “Сложности, связанные с точным измерением почти всех характеристик течения, являются одной из основных причин «ненадежности». Без четких и надежных измерений вряд ли можно будет обеспечить солидную базу для развития теории и отсортировать несостоятельные теоретические модели от тех, которые дают реальные представления того, что происходит”.

Тем не менее, изучение законов движения двухфазных газожидкостных потоков велось постоянно, на протяжении последних 30 лет и было опубликовано большое число научных работ, анализ которых показывает, что для количественного описания закономерностей движения неоднородных по структуре потоков использовались подходы, основанные на различных моделях их движения.

Из основных моделей, нашедших наибольшее отражение в литературе, следует  выделить следующие:

– модель гомогенного течения;

– модель раздельного течения;

– модель потока дрейфа.

Модель гомогенного течения рассматривает двухфазный поток как псевдооднородную жидкость, к которой применяют классические законы гидродинамики.

Скорость движения и физические свойства такой жидкости определяются по соответствующим данным для составляющих ее фаз на основе расчетных методов. При этом допускается, что сплошная (жидкостная) и дисперсная (газовая) фазы движутся с одинаковой скоростью, равной средней скорости движения смеси w_ср определяемой из

 

w_срρ = w_смρ.     (1.11)

 

Истинные скорости движения фаз u отличаются от приведенных w, т.к. каждая из фаз занимает лишь определенную долю поперечного сечения канала (трубы), т.е.

                                                     u_г= ;                                                (1.12)

                                                     u_ж= ,                                               (1.13)

где φ_г – объемное газосодержание в двухфазной смеси.

Реальная плотность газожидкостной смеси  определяется как

 

   ρ_см = ρ_ж(1 – φ_г) + ρ_гφ_г.    (1.14)

 

При рассмотрении закономерностей  движения двухфазных потоков в соответствии с моделью гомогенного течения  используются уравнения неразрывности  потока, баланса количества движения и энергетического баланса применяемого ко всему потоку в целом или  к  каждой из фаз в отдельности.

Для случая анализа изотермического  двухфазного потока обычно применяют  уравнение неразрывности потока

    (1.15)

и уравнение баланса количества движения

,  (1.16)

где П – смоченный периметр канала, м; τ_ст – касательные напряжения на стенке канала, Па; α – угол наклона канала к горизонту; х – расстояние в направлении движения, м.

В исследованиях гидродинамики  одно- и двухфазных потоков обычно требуется найти изменение падения  давления по длине канала. Тогда  из уравнения (1.16) находят

.   (1.17)

 

Модель раздельного течения предполагает, что фазы движутся раздельно, а взаимодействие между ними происходит на поверхности контакта фаз.

При анализе движения изотермического  двухфазного потока на основе модели раздельного движения  уравнения неразрывности потока и баланса количества движения записываются для каждой фазы  и эти четыре уравнения решаются совместно с уравнениями, описывающими закономерности взаимодействия фаз на границе раздела между фазами и со стенками канала. Более полный анализ модели раздельного течения дан в работе [11].

Модель дрейфа является разновидностью модели раздельного течения. Ее отличие заключается в том, что рассматривается только относительное движение фаз. Метод расчета параметров движения двухфазного потока основывается на определении приведенной скорости дрейфа w_Д

 

w_д.ж = – w_д.г.     (1.18)

 

Модель дрейфа предполагает рассмотрение формы и размеров диспергированной фазы при оценке скоростей движения фаз и она более приемлема при рассмотрении систем жидкость – твердое [11].

Газожидкостные потоки характеризуются  сложными количественными изменениями, происходящими с газовой фазой, что обусловлено постоянным дроблением и коалесценцией газовых пузырей, а также деформацией их поверхности.

Поэтому  в дальнейших наших  рассмотрениях движения двухфазных потоков мы придерживались положений  модели гомогенного течения, основываясь  на зависимости (1.12–1.14).

Дальнейший анализ экспериментальных  работ по гидродинамике двухфазных  (газожидкостных) потоков показал, что  основными задачами более ранних исследований являлись:

- предсказание структуры двухфазных  потоков  в зависимости от  расходных параметров фаз. [26; 27; 29];

- количественная оценка объемного  газосодержания и влияние на этот параметр расходных характеристик фаз и физических свойств жидкости [7; 8; 9; 16];

- количественная оценка размеров  дисперсной фазы (диаметр пузыря d_п) и влияние на d_п расходных характеристик и физических свойств фаз, а так же распределение дисперсной фазы по размерам в объеме канала или рабочем объеме аппарата [3; 7; 14; 15];

- определение потерь энергии  при направленном движении двухфазных  потоков в каналах [12];

- влияние начальных условий  диспергирования газовой фазы  при входе газожидкостной смеси  в канал, а также влияние  конструкции диспергатора на [7; 18].

В основном объектами исследований, в вышеупомянутом списке, являлись барботажные колонны с различными конструкциями газораспределителей и с различной геометрией и формой рабочего объема. Кожухотрубный струйно-инжекционный аппарат принципиально отличается от барботажных аппаратов, поэтому в данном обзоре проанализированы исследования, выполненные в КСИА или аппаратах близких по своей конструкции (рис. 1.1). Определяющими критериями литературного и патентного обзора являлись способ диспергирования газовой фазы – струйный, и форма рабочего объема аппарата – вертикальные трубы.

К настоящему времени было проведено  большое число экспериментальных  исследований, касающихся струйных аппаратов, в которых диспергирование газовой  фазы осуществляется свободной струей жидкости.

Эти исследования касались изучения следующих вопросов:

– изучение инжектирующей способности свободных струй [2; 3; 4; 5; 8];

– изучение объемного газосодержания в газожидкостной смеси, образуемой струей в объеме неподвижной жидкости [6];

– изучение объемного газосодержания в вертикальных трубах: с нисходящим потоком [8; 16] и с восходящим потоком [13; 16];

– изучение режимов движения газожидкостной смеси в нисходящих и восходящих потоках [16];

– изучение размеров газовых пузырей и их распределение по объему труб [14; 21];

– изучение начала устойчивой работы КСИА [9; 13];

– изучение гидравлических сопротивлений движению газожидкостного потока в трубах [19; 20].

Анализ вышеупомянутых работ показывает, что наибольший интерес исследователей представляет вопрос уноса газа свободными струями жидкости. Однако, как показывают результаты обобщения известных  уравнений по расчету уноса газа свободными струями, между этими  уравнениями существуют большие  расхождения [23]. Вызвано это несколькими причинами, а именно:

– отсутствуют точные теоретические описания механизма уноса газа свободными струями жидкости;

– в экспериментах по определению Q_г  использовались сопла различной формы сечения, что неизбежно вызывало изменение профиля локальных скоростей на выходе  струи из сопла  и, как следствие, изменялся механизм деформации свободной поверхности струи, определяющий величину уноса газа;

– сложность предотвращения частичного возврата унесенного в объем жидкости газа, поэтому, в большинстве случаев, теоретически рассчитанные значения Q_г.т отличались значительно от экспериментальных значений Q_г.э, которые не учитывали имеющуюся циркуляцию газовой фазы.

По этой причине применение известных  теоретических подходов к расчету Q_г в КСИА, на данном этапе, неприемлемо и наиболее правильным будет использование эмпирических зависимостей при соблюдении равенства геометрических параметров струи, параметрам ограничивающих выбранное эмпирическое уравнение.

Вторая группа публикаций касалась исследований объемного газосодержания в объеме газожидкостной смеси, образуемой в области входа струи в объем жидкости. Большая часть этих публикаций представляла данные по φ_г для случая входа свободной струи в бесконечно большой объем жидкости или в тупиковый канал.

Конструкции этих экспериментальных  установок подробно рассматривались  в работах [13; 17]. Гидродинамическая обстановка, которая возникала при входе струи в, неограниченный стенками, неподвижный объем жидкости отличалась от ситуации возникающей в трубах КСИА, где всегда наблюдается нисходящее движение газожидкостной смеси.

Исследования объемного газосодержания в трубах КСИА были выполнены Ибрагимовым С.Х. [8], Новоселовым А.Г. [17], Лебедевой Т.Я. [13].

Ибрагимов [8] определял объемное газосодержание в трубах КСИА проточного типа методом отсечек, т.е. получал интегральное по объему газожидкостной смеси значение φ_г для нисходящего и восходящего потока.

Для нисходящего потока была получена зависимость

 

    (1.19)

 

для восходящего потока     

 

φ_г = .    (1.20)

 

Новоселов А.Г. [17] определял локальные значения в нисходящем и восходящем потоках газожидкостной смеси в трубах КСИА проточного типа стереометрическим методом. По локальным значениям были построены эпюры распределения φ_г по сечению и высоте труб. Путем интегрирования локальных значений были получены уравнения для расчета интегральных значений по объему труб в виде следующих уравнений:

для нисходящего потока

φ_г.н =      (1.21)

для восходящего потока

φ_г.в = .     (1.22)

 

Лебедева Т.Я. [13] также определяла стереометрическим методом φ_г в нисходящем и восходящем потоках в трубах КСИА с рециркуляцией фаз в рабочем объеме.

В результате обработки экспериментальных  данных были получены следующие зависимости  для расчета φ_г:

для нисходящего потока

φ_г.н = 0,106N     (1.23)

и для восходящего потока

φ_г.в = 0,062 ,    (1.24)

где N_c – мощность  струи, Вт

N_c = .  (1.25)

 

В работе японских исследователей [28] определялось газосодержание φ_г в нисходящем потоке в вертикальных трубах. Газожидкостная смесь также образовывалась вертикальной свободной струей жидкости. Принципиальным отличием аппарата в работе [28] от работ [8; 13; 28] было то, что аппарат в работе [28] состоял из одной опускной трубы и выход газожидкостной смеси осуществлялся в объем жидкости, значительно превышающий объем опускной трубы.

В результате проведения экспериментов  была получена зависимость для расчета 

φ_г.н =     (1.26)