Метод формирования полидисперсной газожидкостной смеси

Внедрение: 2015 г.

Полидисперсная газожидкостная смесь с непрерывным распределением пузырьков по размерам обладает уникальным свойством повышенной диссипативности, вызванной аналогом затухания Ландау. Для формирования такой смеси учёными из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН предложен метод разрушения первоначально монодисперсных пузырьков короткими осциллирующими импульсами давления умеренной интенсивности 7‑8 бар [1]. Импульсы формировались электромеханическими ударами по жесткой металлической мембране в вертикальной газожидкостной трубе. Показано, что под воздействием осциллирующих импульсов давления пузырьки разрушаются на более мелкие, с широкой дисперсией по размерам, а также коагулируют в более крупные.

Целью работы является формирование газожидкостной смеси с заданным распределением пузырьков по размерам, достигаемое изменением амплитуды и частоты пульсаций импульсов давления.

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1. Рабочая часть представляет собой вертикальную оргстеклянную трубу. Труба составлена из 5‑ти секций. На входе трубы установлены генератор газовых пузырьков и электромагнитное ударное устройство для создания ударных волн. Для измерения давления в ударной волне при ее прохождении использовалось четыре датчика абсолютного давления фирмы Honeywell серии SPT‑mv с полосой пропускания более 10 кГц. Датчики подключены к индивидуальным усилителям, выходы которых опрашивались АЦП L‑502 с максимальной частотой дискретизации 2 МГц. Волна давления формировалась ударом сердечника электромагнитного соленоида по жесткой мембране. В качестве рабочей жидкости использовался 30 % водный раствор глицерина. Газовые пузырьки формировались подачей сжатого воздуха через отверстия в стенке цилиндрического тела, установленного в большом объеме жидкости, на входе в трубу. Далее пузырьки всплывали в экспериментальной трубе. Фотографирование пузырьков проводилось между первым и вторым датчиками давления.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки.

Фотография свободно всплывающих пузырьков в рабочей трубе до прохождения ударной волны представлена на рисунке 1 а.

Рисунок 2. Фотография первоначальных пузырьков в трубе и гистограмма распределения пузырьков по диаметрам. Параметры пузырьков указаны в миллиметрах. Резонансная частота для пузырька диаметром 1.27 мм равна 2.96 кГц. 

Рисунок 3. Две аналогичные серии фотографий (1‑7) прохождения одиночной волны по смеси монодисперсных пузырьков в рабочей трубе. Волна движется снизу вверх; фотографии, снятые с интервалом 1/60 с, расположены последовательно слева направо.

Сигналы четырех датчиков давления при прохождении одиночного импульса давления в первоначальной пузырьковой смеси, представлены на рисунке 4. Амплитуда импульса на первом датчике составляет около 8 бар, на фоне которого отчетливо видны пульсации мембраны частотой 13 кГц. Амплитуды импульса давления и пульсаций давления затухают на последующих датчиках. Частота и амплитуда пульсаций обусловлены выбором материала мембраны, способом ее крепления в установке и типом ударного устройства. В данном случае использовалась никелевая мембрана толщиной 0.2 мм.

Рисунок 4. Реализации давления от четырех последовательно расположенных датчиков давления, когда одиночный импульс давления проходит по пузырьковой смеси, приведенной на рисунке 2. Средняя скорость волны в смеси 500 м/с. Частота пульсаций давления на первом датчике равна 13 кГц.

Когда по пузырьковой смеси проходят несколько последовательных волн, эффект дробления пузырьков накапливается. Большие пузырьки дробятся или благодаря большей скорости всплытия быстро уходят из трубы, тогда как количество мелких пузырьков нарастает от импульса к импульсу. Фотография пузырьков после прохождения 20‑ти осциллирующих волн давления и результаты цифровой обработки представлены на рисунке 5. 

Рисунок 5. Фотография мелких пузырьков в трубе и гистограмма распределения их по диаметрам после прохождения 20‑ти ударных волн. Гистограмма в черном цвете построена в линейном вертикальном масштабе, а в сером цвете – в логарифмическом. Параметры пузырьков указаны в миллиметрах. Резонансная частота для пузырька диаметром 0.0938 мм равна 40 кГц.

Ряд последовательных осциллирующих волн давления уменьшил средний диаметр пузырьков более чем в 10 раз, одновременно дисперсия по размерам выросла в 7 раз. Сигналы датчиков давления при прохождении ударной волны по полученной смеси из раздробленных пузырьков представлены на рисунке 6. 

Рисунок 6. Реализации давления от четырех последовательно расположенных датчиков давления, когда импульс давления проходит по пузырьковой смеси, приведенной на рисунке 5. Средняя скорость звука в смеси 330 м/с. Частота пульсаций давления на первом датчике равна 15.8 кГц.

Проведена серия экспериментов по распространению осциллирующего импульса давления в газожидкостной пузырьковой среде с миллиметровыми монодисперсными пузырьками. Показано, что осциллирующий импульс давления умеренной амплитуды в 7‑8 бар приводит к разбиванию монодисперсных миллиметровых пузырьков. После прохождения ряда таких последовательных импульсов получается широкодисперсная по размерам смесь мелких пузырьков. Помимо разрушения пузырьков на более мелкие, в экспериментах наблюдались явления значительной коагуляции пузырьков до размеров больших, чем первоначальные. Это, очевидно, связано в том числе и с силами притяжения Бьеркнеса, возникающими между пузырьками в осциллирующем поле давления.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 14‑02‑01009.

Источник:
Гасенко В.Г., Горелик Р.С., Тимкин Л.С. Метод формирования полидисперсной газожидкостной смеси // Международный научно-исследовательский журнал. – Екатеринбург. – 2015. – № 10 (41), ч. 4. – С. 14‑20.

Разработчик: Гасенко В.Г., Горелик Р.С., Тимкин Л.С. (Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН)