Исследование закрученного потока в кубическом контейнере доплеровским полупроводниковым анемометром для жидкостей с плохой оптической разрешимостью

• Автор: Аникин, Юрий Александрович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 149 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
РАЗДЕЛ 1. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1 Использование закрученных потоков
1.2 Исследования закрученных потоков в цилиндрическом контейнере
1.3 Исследования закрученных потоков в кубическом контейнере
1.4 Особенности физического моделирования, источники ошибки измерения доплеровской частоты
1.5 Анализ свойств доплеровского сигнала и влияния геометрической формы рассеивающих частиц
1.6 Обзор методов обработки сигнала БОБА, сигнала с низким соотношением сигнал/шум и от сред с естественными светорассеивателями
1.7 Выводы по разделу
РАЗДЕЛ 2. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ БОБА ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ С ПЛОХОЙ ОПТИЧЕСКОЙ РАЗРЕШИМОСТЬЮ
2.1 Существующая одночастичная модель сигнала ЛДА
2.2 Обзор существующих методов обработки сигналов ЛДА
2.3 Моделирование сигналов БОБА
2.4 Оценка применимости существующих методов обработки к сигналам БОБА
2.5 Разработка методов обработки сигналов БОБА для жидкостей с плохой оптической разрешимостью
2.6 Реализация методов в программном обеспечении ЬОБА
2.7 Выводы по разделу
РАЗДЕЛ 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЛЬСАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАКРУЧЕННОГО ПОТОКА В КУБИЧЕСКОМ КОНТЕЙНЕРЕ
3.1. Исследования эволюции структуры закрученного потока
3.2. Описание экспериментальной установки
3.3. Результаты измерений
3.4. Использования признака достоверности при вычислении спектра пульсаций
3.5. Сравнение возникновения пульсаций в контейнерах с квадратным и круглым сечением
3.6. Возникновение различных мод пульсаций на разных режимах
3.7. Выводы по разделу
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ А. СПРАВКИ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное использование установок с закрученными потоками в промышленности — вихревых смесителей, сепараторов, адсорберов, энергоразделителей, вакуум-насосов и эжекторов, камер сгорания, гидро- и газотурбин и пр. — обусловлено возможностью создания во вращающихся потоках поля центробежных сил, существенно превышающих гравитационные силы, и возможностью увеличения траектории движения частиц. Однако в настоящее время разностороннее применение закрученных потоков и вихревых технологий опережает процесс их детального исследования [50]. В результате имеется много единичных высокоэффективных циклонно-вихревых установок, но их широкое распространение сдерживается отсутствием научно обоснованных рекомендаций для перехода на другую производительность и режимы работы. Исследователи соглашаются, что проблема связана, главным образом, с потерей устойчивости осесимметричных закрученных потоков и возникновению в них разного рода сложных трехмерных вихревых структур, существенно влияющих на все процессы, происходящие в вихревых аппаратах. Для вихревых аппаратов и технологий, использующих сильно закрученные потоки, первостепенное значение имеет изучение структуры образующихся в них вихрей. Более того, для каждой конструкции вихревого аппарата необходимо провести комплексное исследование его работы с составлением карты рабочих режимов. Карта режимов должна не только содержать границы зон возникновения распада, но и отражать границы устойчивого существования стационарных винтообразных вихревых структур при больших крутках за распадом, где предполагается эксплуатировать аппарат.
Действительно, желание интенсифицировать процессы в вихревых аппаратах приводит к необходимости существенного увеличения закрутки потока. Потокам с сильной закруткой свойственна потеря устойчивости, что

выражается в распаде осесимметричного вихревого ядра и возникновении после зоны распада нескольких типов возмущенного движения (одиночные или двойные неподвижные либо прецессирующие винтообразные вихри). Согласно данным J.H. Faler и S. Leibovich [22], местоположение распада вихря и сама возможность его появления определяются значениями числа Рейнольдса и параметром закрутки. В 1984 году А.К. Gupta, D.G. Lilley и N. Syred [39] провели параллель между классическими экспериментами по наблюдению распада вихревого ядра в закрученном потоке в трубе [22] и процессами, происходящими в вихревых аппаратах. Авторы делают выводы: а) увеличение закрутки потока приводит к более раннему возникновению распада, т.е. расширяет границы неустойчивой работы вихревых камер; б) без изучения границ распада для конкретной геометрии вихревых аппаратов невозможны правильный переход от высокоэффективных лабораторных установок к крупномасштабным промышленным аппаратам и прогнозирование их работы на переходных режимах.
Таким образом, главной задачей в области применения вихревых технологий на современном этапе является изучение устойчивости закрученных потоков. Согласно мнению А.К. Gupta с соавторами [39], в вихревых аппаратах важно обеспечить такие условия, чтобы при данном параметре закрутки число Рейнольдса всегда находилось вне пределов диапазона, отвечающего стадии распада вихря. Если режим работы соответствует зоне после распада, то реализуются потоки либо с вращающимся, либо с неподвижным вихрем, обычно имеющим винтовую форму. На современном этапе исследований стало ясно [123], что основную роль при возникновении неустойчивости играют прецессирующие трехмерные вихревые структуры винтовой формы.
В вихревых аппаратах первое наблюдение винтообразного вихря связано с его самоиндуцированным вращением. Были обнаружены интенсивные низкочастотные окружные пульсации потока, которые назвали прецессией вихревого ядра. То, что прецессия вызывается вращением винтового вихря
участки, т.е. сигнал в те моменты, когда в зоне измерения не находилась частица, можно значительно уменьшить поток данных в доплеровский процессор без потери информации.
номер отсчета номер отсчета
номер отсчета номер отсчета
Рис. 1.8. Сигналы ЬОБА от естественных свсторассеиватслсй с различным соотношением сигнал/шум (по возрастанию слева направо, сверху вниз) и различным количеством колебаний с доплеровской частотой.
На рис. 1.8 приведены примеры зарегистрированных доплеровских вспышек от естественных светорассеивателей в используемой рабочей среде. Сигнал является чрезвычайно зашумленным. Доплеровская частота близка к половине частоты дискретизации (частоте Котельникова). Среднее количество периодов колебаний с доплеровской частотой равно 5-7 , что хорошо согласуется с числом интерференционных полос в измерительном объеме. Однако нередко встречаются вспышки с хорошим соотношением сигнал шум и с количеством периодов колебаний больше 7, иногда до 15.