Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СМЕШЕНИЯ ПАРОКАПЕЛЬНЫХ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Дмитриенко М.А. 1 Жданова А.О. 1 Забелин М.В. 1 Стрижак П.А. 1
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
В работе представлены схема, методика проведения и результаты экспериментов по исследованию процессов, протекающих при вхождении распыленной воды в поток высокотемпературных продуктов сгорания. Для регистрации и обработки видеограмм в экспериментах использовано высокоточное диагностическое оборудование, работающее на базе методов цифровой трассерной визуализации, в частности PIV (Particle Image Velocimetry). Приведены видеограммы, поля и гистограммы скоростей для момента входа парокапельной смеси - потока распыленной жидкости (воды с «трассирующими» частицам нанопорошка диоксида титана) в высокотемпературный газовый поток (продукты сгорания). Показаны характерные для рассматриваемого процесса смешения эффекты разворота траектории потока капель. Установлено существенное влияние скорости восходящих продуктов сгорания, а также размеров отдельных капель распыленной жидкости в потоке на степень уноса последних.
газовые смеси
пламя
продукты сгорания
капли
распыленная вода
1. Андреев Г.Г. Тепломассоперенос при взаимодействии диспергированного флегматизатора горения с высокотемпературными продуктами сгорания // Бутлеровские сообщения. – 2012. – Т. 31, № 8. – С. 86-94.
2. Волков Р.С., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Влияние начальных параметров распыленной воды на характеристики ее движения через встречный поток высокотемпературных газов // Журнал технической физики. - 2014. - Т. 84, № 7. - С. 15-23.
3. Волков Р.С., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Особенности испарения двух капель воды, движущихся последовательно через высокотемпературные продукты сгорания // Теплофизика и аэромеханика. - 2014. - Т. 21, № 2. - С. 269-272.
4. Ильин А.П. Особенности физико-химических свойств нанопорошков и наноматериалов. – Томск : Изд-во ТПУ, 2012. – 196 с.
5. Корольченко Д.А., Громовой В.Ю., Ворогушин О.О. Применение тонкораспыленной воды для тушения пожаров в высотных зданиях // Пожаровзрывобезопасность. - 2011. - Т. 20, № 9. - С. 54-57.
6. Саламов А.А. Современная система пожаротушения «водяной туман» высокого давления // Энергетик. – 2012. – № 3. – С. 16-18.
7. Foucaut J.M., Stanislas M. Some considerations on the accuracy and frequency response of some derivative filters applied to particle image velocimetry vector fields // Measurement Science and Technology. - 2002. - Vol. 13. - P. 1058-1071.
8. Karpov A.I. Numerical modeling of the effect of fine water mist on the small scale flame spreading over solid combustibles // Fire safety science: proceeding of eight international symposium. – 2005. - Vol. 27. – P. 753-764.
9. Keane R.D., Adrian R.J. Theory of cross-correlation analysis of PIV images // Applied Scientific Research. - 1992. - Vol. 49. - P. 191-215.
10. Vysokomornaya O.V., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Heat and Mass Transfer in the Process of Movement of Water Drops in a High-temperature Gas Medium // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. - 2013. - Vol. 86, № 1. - P. 62-68.

Введение

Распыленная специальным образом вода (например, «водяной туман», «водяная завеса», «тонкораспыленная вода») довольно широко используется в последние годы для локализации пламени и ликвидации возгораний [5; 6; 8]. Выполненные экспериментальные и теоретические исследования показывают возможность существенного повышения эффективности тушения пожаров с использованием распыленной воды. Тем не менее, так как процессы смешения газовых и парокапельных сред характеризуются [1; 10] достаточно сложными механизмами тепло- и массопереноса и фазовыми превращениями, то нередко возникают сложности разработки соответствующих технологий тушения.

Цель настоящей работы – экспериментальное исследование процесса смешения парокапельного потока распыленной воды и продуктов сгорания на входе в зону пламени с использованием современной измерительной кросскорреляционной регистрирующей видеосистемы.

Экспериментальная установка и методы исследований

При проведении эксперимента использовался стенд (аналогичен используемым в [2; 3]), основными элементами которого являются (рис. 1): кросскорреляционная видеокамера (формат изображения – 2048x2048 пикселей, кадровая частота – 1.5 Гц, минимальная задержка между двумя последовательными кадрами – 5 мкс), двойной импульсный твердотельный лазер (с активной сферой «алюмо-иттриевый гранат» и добавками неодима, длина волны – 532 нм, минимальная энергия в импульсе – 70 мДж, максимальная длительность импульса – 12 нс, частота повторений – 15 Гц), синхронизирующий процессор (максимальная дискретизация сигналов – 10 нс, поддержка режимов внешнего и внутреннего запуска).

В качестве рабочей жидкости применялась вода со специальными включениями (для повышения контрастности видеограмм экспериментов) – «трассерами», представляющими примесь (0.5% по массе) нанопорошка диоксида титана (выбор TiO2 обусловлен его нерастворимостью в воде [4]).

Вода заливалась в емкость 7, в которой устанавливалась хромель-копелевая термопара для контроля ее начальной температуры Tw. Для снижения расхождения условий проведения экспериментов и обеспечения постоянства состава рабочей жидкости и продуктов сгорания серии проводились за короткие интервалы времени.

Для генерации капель жидкости с заданными начальными размерами, концентрацией и скоростью использовался распылитель 9.

Для формирования потока высокотемпературных газов в экспериментальном стенде использовался цилиндрический канал 13 (высота 1 м, диаметр 0.3 м). В основании канала 13 устанавливался полый цилиндр 14 (высота 0.1 м, внутренний и внешний диаметры – 0.26 и 0.3 м соответственно), в межстеночное пространство которого заливался керосин (около 250 мл) и поджигался перед проведением опытов. По истечении 5 минут в канале 13 формировался поток продуктов сгорания с температурой 1070±30 К. Температура газов в канале 13 контролировалась хромель-алюмелевыми (диапазон измеряемых температур –273÷1373 К, погрешность измерения ±3.3 К) термопарами 15 (проводились измерения в трех точках по высоте канала – 0.15, 0.5, 0.85 м на оси его симметрии).

 

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 – ПК; 2 – синхронизатор ПК, кросскорреляционной камеры и лазера; 3 – генератор лазерного излучения; 4 – двойной твердотельный импульсный лазер; 5 – кросскорреляционная камера; 6 – световой «нож»; 7 – ёмкость с рабочей жидкостью; 8 – канал подачи рабочей жидкости; 9 – распылитель (дозатор); 10 – стойка; 11 – капли рабочей жидкости; 12 – канал движения охлаждающей жидкости лазера; 13 – цилиндр из жаростойкого светопрозрачного материала; 14 – полый цилиндр, в межстеночное пространство которого залита горючая жидкость; 15 – термопары; 16 – вытяжная система; 17 – пульт включения/отключения вытяжной системы.

Измерительной областью видеокадров камеры 3 считалась плоскость «светового ножа» 6 (рис. 1). Положение камеры 3 и лазера 2 выбиралось таким образом, чтобы оптическая ось камеры и плоскость светового «ножа» лазера пересекались под углом 90 градусов (точка их пересечения находилась в регистрационной области видеокадра). Ширина видеокадра соответствует диаметру канала 13. Продольный и поперечный размеры видеокадра равны. Толщина «ножа» лазера составляет 0.01 м.

Скорости капель жидкости определялись по перемещениям «трассеров», входящих в их объем, с применением метода PIV [7; 9]. «Трассирующие» частицы в измерительной плоскости потока многократно освещались лазером. Образы частиц регистрировались на кросскорреляционную камеру. Последующая обработка изображений позволяла рассчитать смещение частиц за время между вспышками источника света и построить «двухкомпонентные» поля скоростей «трассеров». Использован кросскорреляционный алгоритм, основой которого является метод быстрого преобразования Фурье с добавлением условий выполнения «корреляционной теоремы» [3; 4; 9]. Важно отметить, что значения скоростей капель Um представляют скорости, осредненные за время между вспышками лазера согласно [7; 9]. Систематические погрешности измерения скоростей «трассеров» согласно [2–4; 7; 9] не превышали 2%. Случайные погрешности вычисления скоростей «трассеров» достигали 3%.

Результаты и обсуждение

На рис. 2 приведены полученные в результате серии экспериментов видеокадры на входе в цилиндрический канал 13 для случая заполнения последнего высокотемпературными продуктами сгорания и условий без пламени. На рис. 2б можно увидеть непосредственно процесс смешения высокотемпературных газов с водяным парокапельным потоком. Следует отметить интенсивное формирование вихревых структур на рис. 2б, что обусловлено как противоположными направлениями движения исследуемых потоков, так и значительным вдувом паров с поверхности капель.

 а

 б

Рис. 2. Видеограммы и поля скоростей капель распыленной жидкости без пламени (а) и на входе в зону пламени (б).

При анализе видеограмм экспериментов (в частности, рис. 2) можно сделать вывод о том, что без пламени капли распыленной жидкости довольно равномерно проходят через канал 13, а при взаимодействии с противоположным потоком высокотемпературных газов сильно меняют траекторию (хорошо виден унос капель газами). Установлено, что на степень уноса капель существенно влияют и скорость, и их начальные размеры. Так, при размерах R = 0.01 ÷ 0.15 мм «критическими» (достаточными для «торможения» капель) скоростями потока газов являются ϑglim = 0.2÷0.3 м/с. При росте начальных скоростей капель до 2 м/с возможно сохранение их первоначального вектора движения при идентичных размерах, но довольно не продолжительное (вследствие прогрева и испарения). Так, например, капли с размерами R ˂ 0.01 мм полностью испаряются на входе в зону пламени вне зависимости от их скоростей и скорости потока газов. Выявлено, что поток высокотемпературных газов способствует «торможению» впереди идущих капель, их развороту и последующему слиянию с идущими навстречу каплями жидкости.

На рис. 3 приведены гистограммы компонент скорости капель воды по оси x (Vx) и по оси y (Vy), построенные по данным полей скорости для двух рассмотренных выше случаев (ось y характеризует направление движения капель, а ось x – поперечное этому движению направление). Изначально значения скорости по оси y ϑd ˂ 0 м/с, так как поток капель движется вниз. Увеличение и изменение знака значений скоростей на ϑd > 0 м/с соответствуют изменению направления их движения на противоположное, то есть совпадающее с вектором скорости продуктов сгорания в канале 13. На приведенных гистограммах видно, что при смешении потоков количество векторов Vy и их длина значительно уменьшается, а Vх увеличивается, что характеризует завихрение парокапельного потока (происходит существенное «торможение» капель).

 а

 б

Рис. 3. Гистограмма распределения компонент скоростей Vx (синий) и Vy (красный) капель распыленной жидкости без пламени (а) и на входе в зону пламени (б).

В то же время следует отметить, что при размерах капель R > 0.25 мм и их скоростях ϑd > 2 м/с они продолжают движение через высокотемпературный поток с сохранением начального вектора перемещения. Как следствие, можно сделать вывод о том, что даже для полидисперсного капельного потока возможно определение необходимых и достаточных начальных параметров, при которых обеспечивается требуемый состав газопарокапельных смесей и траектории движения компонентов.

Заключение

Экспериментальные исследования, проведенные с использованием высокоскоростной измерительной PIV-системы, позволяют проанализировать основные закономерности смешения газовых и парокапельных потоков (продуктов сгорания, капель воды и водяных паров) в условиях высоких температур.

Установлено определяющее влияние скоростей движения продуктов сгорания на степень уноса последних высокотемпературными газами, проиллюстрированы завихрения газопарокапельных потоков и изменения скоростей капель.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (№ 14–08–00057).

Рецензенты:

Мамонтов Г.Я., д.ф.-м.н., профессор, Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск.

Шидловский С.В., д.т.н., профессор, Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск.


Библиографическая ссылка

Дмитриенко М.А., Жданова А.О., Забелин М.В., Стрижак П.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СМЕШЕНИЯ ПАРОКАПЕЛЬНЫХ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 3. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=13547 (дата обращения: 19.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074