книги из ГПНТБ / Хьюитт Дж. Кольцевые двухфазовые течения

іше за выделением пузырей велось с помощью высоко­ скоростной киноаппаратуры, при этом производились измерения влияния процесса выделения на расход плен­ ки жидкости. Величина уноса, обусловленная образова­ нием пузырей, увеличивается с увеличением числа центров парообразования; таким образом, наиболее зна­ чительная доля уноса, обусловленная этой причиной, имеет место при высоких тепловых потоках. Итак, если коэффициент теплоотдачи в отсутствие пузырчатого кипения достаточно высок, образование пузырей может быть подавлено и унос, порождаемый этой причиной, уменьшен (см. гл. 10). Значение уноса, обусловленного пузырчатым кипением, рассматривается в гл. 11.

В процессе исследований устойчивости горизонталь­ ной поверхности раздела при параллельном течении воздуха и воды Ханратти и Вудманси [149] наблюдали, что до того, как начиналось разбрызгивание жидкости в газовый поток, большое количество воздуха абсорби­ ровалось жидкостью. Они высказали предположение, что последующее выделение пузырей в местах пучностей волн может быть существенным фактором в разбрызги­ вании жидкости. Подобный же интересный случай уноса жидкости, возникающего вследствие выделения пузырей, встречается в океанографии. Океанские волны захваты­ вают воздух, который затем, выделяясь в виде пузырей, обусловливает унос мелких капель соленой воды, кото­ рые увлекаются в атмосферу [33, 245]. Считают, что этот механизм является причиной наличия солей в дож­ девой воде. Разница в ионных отношениях дождевой и морской воды была объяснена Блохом [33] тем, что в процессе вытекания воды из купола пузыря перед его разрывом (см. рис. 8.5,в, е) происходит предпочтитель­ ное ионное разделение на поверхности раздела.

8.3. НАЧАЛО УНОСА КАПЕЛЬ

8.3.1. Определение точки начала уноса

В настоящей главе точка начала уноса будет опреде­ лена как та точка, в которой жидкость впервые отры­ вается от поверхности жидкой пленки, что сопровож­ дается небольшим изменением расхода газа или жид­ кости. Получаемые на практике результаты могут зависеть от чувствительности метода, используемого для обнаружения капель. В некоторых системах это прояв-

207

ляется особенно ярко, так как доля уноса в области непосредственно за точкой начала уноса увеличивается с увеличением расхода очень медленно. Следовательно, по этой причине могут иметь место расхождения в дан­

нулевого процента уноса. При определенной таким спо­ собом скорости, однако, имеет еще место значительный процент уноса, как это иллюстрируется фактическими и экспериментальными данными (см. рис. 8.6). Хотя опре­ деление Уоллиса имеет некоторое значение при обобще­ нии результатов, полученных при различных способах ввода жидкости, предпочтительнее, вероятно, в этом смысле принять определение, данное выше. Таким образом, при выборе точки начала уноса важно избе­ жать случайных влияний, связанных с - методом ввода жидкости. Поэтому в идеальном случае определение

208

Должно быть основано на данных, полученных при со­ вершенно гладком вводе пленки; такой идеальный ввод может быть достигнут при использовании пористой стен­ ки или соответствующим образом рассчитанной кольце­ вой щели (паза) (см. § 8.4).

8.3.2. Экспериментальные наблюдения начала уноса капель

Общее заключение, которое можно сделать в ре­ зультате изучения данных о начале уноса капель, состо­ ит в том, что для тонких пленок жидкости при низких

общую модель процесса, получены Кусинсом и др. [79] для уноса в подъемном кольцевом воздушно-водяном течении в трубе с внутренним диаметром 9,5 мм и изо­ бражены на рис. 8.7. Хотя предельные условия с посто­ янным расходом газа не были достигнуты в этих экспе­ риментах, они иллюстрируют существование тенденции к установлению постоянного расхода жидкости при высо­ ких скоростях газа. Для асимптотического случая пре­ дельного расхода жидкости начало уноса почти точно

соответствует образованию больших волн возмущения. Для более низких расходов газа существование больших волн возмущения не является достаточным условием для начала уноса, как' это будет видно в результате сравнения форм пограничных слоев, показанных соответственно на рис. 6.13 и 8.7. Так, имеется область, в которой скорость газа достаточна, чтобы обеспечить возникновение боль­ ших волн на поверхности, но недостаточна, чтобы разбить эти волны на капли. Важным исключением из этой общей схемы является подъемное вертикальное кольцевое течение вблизи точки перехода во вспененное течение; более подробно явления в этой области будут рассмотрены ниже. Следует также отметить, что усло­ вия для начала уноса таковы, что в большинстве прак­ тических случаев вертикального подъемного течения унос жидкости всегда в какой-то степени имеет место.

Теперь данные о начале уноса капель могут быть рассмотрены, исходя из основных приведенных выше обобщений для каждого конкретного режима течения.

Горизонтальное параллельное течение. Ван-Россум

[294] опубликовал данные о начале разбрызгивания при горизонтальном параллельном течении в канале прямо­ угольного сечения, которые приведены на рис. 8.8. Они показывают характерную форму кривой уменьшения скорости газа, необходимой для разбрызгивания жид­ кости, с увеличением толщины пленки или расхода жид­ кости; при очень толстых пленках достигается асимптоти­ ческое значение критической скорости газа; значение этой асимптоты равно примерно 18 м/сек для воды и 13 м/сек для минерального масла. Подобный же вид имеют результаты, полученные Ханратти и Вудманси

Рис. 8.8. Скорость воздуха при начале уноса в горизон­ тальном параллельном течении [294].

/ — 18 м/сек-, 2 — 13 м/сек-, + — вода; О — минеральное масло.

210

[149], показывающие, что разбрызгивание происходит п при, значении числа Рейнольдса жидкости ниже 10. Это' явно противоречит результатам, представленным на рис. 8.7, в которых достигается предельный расход жид­ кости, соответствующий числу Рейнольдса, равному примерно 200. Однако следует ясно представлять себе существенную разницу между горизонтальной и верти­ кальной системами; в горизонтальных системах можно

Рис. 8.9. Сравнение уравнений для начала уноса.

Давление атмосферное, воздушно-водяное те­ чение в трубе внутренним диаметром 25,4 мм.

иметь толстые пленки жидкости при низких числах Рейнольдса, в то время как в вертикальных течениях при высоких скоростях газа пленки жидкости при низ­ ких числах Рейнольдса чрезвычайно тонки. Естественно, что формирование волн, приводящее к разбрызгиванию Жидкости в этих двух случаях, существенно различно.

Горизонтальное кольцевое течение в трубах. Этот случай исследовали Кинней и др. [207] и Кнут [208], ко­ торые установили, что при высоких скоростях газа нача­ ло уноса капель имеет место при постоянном расходе жидкости, близко соответствующему расходу, при кото­ ром формируются волны возмущения. При низких ско­ ростях газа начало уноса, вероятно, имело бы место при высоких расходах жидкости, хотя картина была бы чрезвычайно сложной в результате асимметрии, обуслов­ ливаемой действием силы тяжести (см. § 4.5).

Опускное однонаправленное кольцевое течение. О ре­ зультатах для опускного кольцевого течения упоминают Живайкин {386], Можаров {258, 259], Чен и Ибеле [56], Уоллис и др. [363, 368, 369—371]. Результаты, получен­ ные Живайкиным, были выражены в виде эмпирических уравнений для критической скорости газа, при которой начинается унос, следующим образом:

кость в стоксах (см1!сек).

Из этих уравнений можно видеть, что в соответствии с общей схемой, обрисованной выше, критическая ско­ рость газа для начала образования брызг постепенно становится независимой от расхода жидкости по мере увеличения последнего. Уравнение (8.3) представляет критическую скорость газа для предельного случая, когда расход жидкости не оказывает больше никакого влияния. Чен и Ибеле [56] сообщают данные для воз­ душно-водяного течения в канале диаметром 50,8 мм, которые они представили в виде уравнения

Re0c = 1,2 ■ 10“Re~°’301,

которое может быть преобразовано следующим обра­

Уоллис и др. [363] нашли, что в области высоких рас­ ходов жидкости критическая скорость газа для начала уноса не очень сильно зависит от диаметра трубы; они установили также, что критическая скорость уменьшает­ ся с увеличением давления и уменьшением поверхност-

212

ного натяжения. Стин н Уоллис [334] предложили для тех случаев, когда можно пренебречь силами вязкости в пленке жидкости, выражать критическую скорость газа для уноса в опускном течении соотношением

диаметром 25,4 мм при атмосферном давлении.

Большое расхождение между результатами очень по­ казательно для задач определения начала уноса капель. Стин и Уоллис {334] использовали метод экстраполяции, который был рассмотрен в п. 8.3.1. Неудивительно по­ этому, что их результаты лежат на графике значительно выше результатов Живайкина, который вероятно, исполь­ зовал более объективную методику обнаружения перво­ го ощутимого уноса. Чен и Ибеле |56] определили пере­ ход на основе кривых зависимости падения давления от расхода газа. Было исследовано изменение наклона кри­ вых, чтобы указать начало большого уноса. Их резуль­ таты реально применимы к условиям, где уносится боль­ шая доля полного потока жидкости, и нет ничего про­ тивоестественного в том, что полученное на основе их расчетов Ѵс,с даже больше, чем значения Стина и Уоллиса. Поэтому при опускном кольцевом течении для определения начала уноса рекомендуется исполь­ зовать соотношение Живайкина.

Исследования уноса в опускном пароводяном тече­ нии описаны Можаровым {258, 259], который предложил следующее эмпирическое соотношение, полученное в ре­ зультате обработки его экспериментальных данных для интервала давлений 7—46 кгс/см2:

Для скоростей газа, значительно превосходящих значе­ ние, необходимое для начала подъемного кольцевого течения, качественная структура результатов, получае­ мых для критической скорости газа, обусловливающей унос капель, подобна данным, получаемым для опускно­

213

ваю'Г всей области высоких расходов жидкости, гДё скорость газа, необходимая для начала уноса, значи­ тельно меньше зависит от расхода жидкости. В области низких расходов жидкости уравнение (8.7) хорошо со­ гласуется с результатами Кусинса и др. [79], как это видно из рис. 8.7.

То обстоятельство, что большие волны возмущения

к значительному влиянию длины канала на начало уно­ са, особенно при низких расходах жидкости. Измерения этого эффекта длины Кусинсом и др. [79] показали, что начало уноса может быть задержано на несколько де­ сятков сантиметров при низких расходах жидкости; не­ которые из этих результатов приведены на рис. 8.10.

8.3.3. Размерный анализ начала уноса жидкости

Для того чтобы расширить сферу применения урав­ нений, разработанных для начала уноса, и, в частности, чтобы обеспечить возможность их применения к другим веществам и геометриям каналов, было бы желательно выразить эти уравнения в виде зависимости обоснован­ но выбранных безразмерных групп. Некоторые из этих уравнений, уже приведенных выше в § 8.3.2, были либо полностью, либо частично выражены в виде зависимости таких групп. Подробный обзор использования анализа размерностей при расчете начала уноса представлен Зубером [388].

Ван-Росеум [294] использовал несколько безразмер­ ных групп для корреляции полученных им результатов для горизонтального параллельного течения. Характер­ ный график зависимости показан на рис. 8.11, где группа Р дана в функции от числа Рейнольдса жид­ кости Rei,. По мере увеличения скорости газа результа­ ты для индивидуальных жидкостей асимптотически приближаются к кривой полученной зависимости. Для каждой жидкости существует скорость газа Vgc, ниже которой уноса не происходит, какой бы ни была толщи­ на пленки. Ван-Россум предложил эмпирическое пра­ вило:

Влияние этой предельной скорости сказывается в по­ явлении для каждой жидкости вертикальных асимптот,

215

как это показано на рис. 8.11. Естественно, что' безраз­ мерные соотношения, показанные на рис. 8.11, не будут обязательно применимы к геометриям каналов, отличаю­ щихся от исследованных Ван-Россумом.

Рис. 8.11. Безразмерная зависимость для начала уноса, данная Ван-Россумом [294].

216