Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разное
на правах рукописи
ПОПЛАВСКИЙ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ
ДИНАМИКА ЧАСТИ - И КАПЕЛЬ В УДАРНЫХ ВОЛНАХ
01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Новосибирск - 2011
Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения РАН
Научный консультант: доктор физико-математических наук Бойко Виктор Михайлович
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Васильев Анатолий Александрович доктор физико-математических наук, профессор Матвеев Сергей Константинович доктор технических наук, профессор Василевский Эдуард Борисович
Ведущая организация:
Объединенный институт высоких температур РАН
Защита состоится л 25 ноября 2011 г. в л9-30 часов на заседании диссертационного совета Д 003.035.02 в Институте теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения РАН по адресу:
630090, Новосибирск-90, ул. Институтская, 4/1.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просьба направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 003.035.02.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения РАН.
Автореферат разослан л_____ _______________2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н. Засыпкин И. М.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы Широкое применение порошковых материалов и жидких аэрозолей в современной промышленности и энергетике показало, что большинство органических пылей и аэрозолей, а также металлические порошки взрывоопасны. Несмотря на различия химических свойств, взрывы всех видов пылей имеют схожую картину развития и разрушительные последствия. По материальному ущербу и человеческим жертвам пылевзрывы признаются наиболее опасными техногенными катастрофами, а непрекращающиеся аварии с различными дисперсными материалами свидетельствуют о недостаточном понимании процессов при пылевом взрыве и мер их предотвращения.
Ударная волна (УВ), будучи неотъемлемой частью всех взрывных процессов, в двухфазных смесях является одним из основных факторов взрываемости.
Это связано с рядом эффектов взаимодействия УВ с газожидкостной или пылегазовой системой, ответственных не только за воспламенение, но за само формирование взрывоопасной смеси. Таким образом, изучение УВ в двухфазных средах, являясь фундаментальной задачей в рамках проблемы пылевого взрыва, актуально и для инертной стадии взаимодействия фаз.
Скоростная неравновесность двухфазного потока за УВ порождает ряд эффектов, присущих всем градиентным течениям в период скоростной релаксации фаз. Это связано с подобием процессов межфазного обмена количеством движения и универсальностью релаксационных параметров в неравновесных двухфазных потоках. Поэтому результаты исследований УВ в двухфазных системах востребованы в целом ряде других приложений. Течения смесей газа с твердыми частицами или каплями это большой класс задач физической газодинамики, имеющий приложения в авиационном и ракетном двигателестроении, энергетике, химической индустрии и т.д. Это свидетельствует об актуальности исследований взаимодействия УВ с пылегазовыми и газокапельными системами, и в частности, динамики частиц и капель в потоке за УВ.
Цель и основные задачи работы Цель работы - исследование взаимодействия проходящих УВ с пылегазовыми и газокапельными системами на ранней стадии скоростной релаксации, а также изучение обратного влияния примеси на газовый поток и внутрифазного взаимодействия частиц дисперсной фазы в условиях нестационарного обтекания частиц.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
1. Исследование динамики и аэродинамического сопротивления твердых одиночных сферических частиц и частиц неправильной формы на ранней стадии скоростной релаксации в потоке за УВ в трансзвуковом диапазоне относительных чисел Маха и чисел Рейнольдса более 104.
2. Изучение динамики и аэродинамического сопротивления капли за УВ с учетом деформации и массоуноса, а также изучение особенностей разрушения и определение критериев смены механизмов в режиме срывного массоуноса.
3. Экспериментальное исследование влияния концентрации пылевзвеси на динамику ускорения частиц за УВ и теоретический анализ обратного влияния дисперсной фазы на параметры течения. На основе полученных данных рассмотрена задача о трансзвуковом переходе в сильных УВ в двухфазной смеси.
4. Исследование механизмов внутрифазного парного взаимодействия сферических частиц в потоке за УВ для двух канонических конфигураций: 1) взаимодействие через аэродинамический след при продольном расположении частиц; 2) обтекание пары тел с линией центров поперек потока.
5. Экспериментальное исследование взаимодействия УВ со слоем гранулированного материала на ранней стадии подъема слоя и создание физической модели процесса на основе параметрического анализа полученных данных по динамике подъема частиц.
Научная новизна 1. Впервые получены экспериментальные данные по аэродинамическому сопротивлению сферы и тел неправильной формы в потоке за УВ в диапазоне трансзвуковых относительных чисел Маха и чисел Рейнольдса более 104, характерных для УВ средней и высокой интенсивности, а также сверх- и трансзвуковых градиентных двухфазных течений.
2. Впервые в рамках одного подхода изучен срывной режим разрушения капель маловязких жидкостей в широком диапазоне чисел Вебера 200 3. Впервые изучена микроструктура течения вблизи и в следе капли перед началом массоуноса, исследована зависимость задержек разрушения от определяющих параметров, сформулирован физический критерий смены двух механизмов массоуноса в рамках срывного режима разрушения капли. 4. Экспериментально исследован и теоретически проанализирован эффект обратного влияния дисперсной фазы на газовый поток на ранней стадии взаимодействия УВ с облаком пылевзвеси; сформулирован количественный критерий перехода от режима одиночных частиц к коллективным эффектам из-за стесненности течения газовой фазы в облаке частиц. 5. Впервые экспериментально изучено близкое взаимодействие частиц в потоке за УВ по аэродинамическим механизмам; предложены и экспериментально подтверждены количественные критерии взаимного влияния свободно ускоряющихся в потоке сфер при продольном и поперечном расположении относительно потока. Для поперечной системы сфер установлен критерий формирования коллективного головного скачка. 6. Экспериментально исследована ранняя стадия подъема слоя пыли за УВ; предложен механизм подъема частиц, основанный на эффекте хаотизации скорости частиц из-за множественных нецентральных соударений частиц верхнего слоя, получивших подвижность от потока, скользящего над слоем. Практическая ценность работы Результаты исследования динамики частиц и капель за УВ, прежде всего, имеют практическую ценность для понимания процессов при пылевых взрывах. Возможность выполнять оценки параметров скоростной релаксации частиц примеси важна при определении характера и темпа теплообмена для предсказания задержек и зоны воспламенения. Предложенные в работе новые методы анализа траекторных данных по многокадровой теневой визуализации позволили выработать единый подход к анализу динамики твердых частиц и жидких капель на основе универсальных параметров скоростной релаксации, получаемых при обезразмеривании уравнений движения частиц в потоке за УВ. Знание особенностей межфазного взаимодействия в условиях скоростного запаздывания востребованы также в большом числе практически важных приложений, связанных с любыми градиентными двухфазными потоками. Одним из важных практических применений результатов по динамике частиц и капель является реализация техники восстановления скорости газа по скорости частиц на произвольной стадии скоростной релаксации. Практическая ценность представленных результатов подтверждается успешным применением разработанных методов и подходов в работах по хоздоговорам в Российских и международных проектах. ичный вклад автора заключается в экспериментальной реализации и теоретическом обосновании представленных в работе исследований физических механизмов взаимодействия УВ с пылегазовыми и газокапельными системами. Большой вклад в формулировку основных задач и обсуждение результатов внес д.ф.-м.н. Бойко В.М. Результаты по внутрифазному взаимодействию частиц получены при активном участии аспиранта Клинкова К.В.; в обработке графических данных по динамике капли участвовали студенты Ядрова И.А. и Запрягаева Е.В. Предлагаемые модели исследованных процессов, вошедшие в основные защищаемые положения, получены автором самостоятельно. Текст автореферата согласован с соавторами. Основные положения, выносимые на защиту: - экспериментальная реализация и обоснование метода определения аэродинамического сопротивления свободно ускоряющихся тел в потоке за УВ, основанного на измерении обобщенных параметров скоростной релаксации по траекторным измерениям; - разработка метода восстановления скорости несущей фазы по динамике частиц дисперсной фазы на произвольной стадии скоростной релаксации в потоке за УВ, а также для некоторых канонических течений на основе измерения обобщенных параметров скоростной релаксации; - результаты исследования аэродинамического сопротивления сферы и тел неправильной формы по траекторным измерениям динамики ускорения в транс- и сверхзвуковых потоках за УВ; - результаты экспериментального исследования аэродинамического сопротивления капель маловязких жидкостей на основных и переходных режимах разрушения в широком диапазоне чисел Вебера в период деформации и начальной стадии массоуноса; - результаты экспериментов по задержкам разрушения капель маловязких жидкостей в УВ в диапазоне чисел Вебера 200 - результаты исследования обратного влияния дисперсной фазы на параметры течения несущей фазы. Решение задачи о трансзвуковом переходе в двухфазном потоке за УВ как одного из механизмов формирования коллективной головной волны перед облаком частиц; - результаты экспериментов по обтеканию пары сферических тел с линией центров, расположенных поперек сверхзвукового потока за фронтом УВ. Механизм и критерий формирования коллективной головной волны перед поперечной системой свободно ускоряющихся тел; - результаты исследования продольной системы сферических тел, расположенных одно в следе другого, в сверхзвуковом потоке за УВ. Механизм снижения аэродинамического сопротивления подветренного тела; - результаты экспериментального исследования взаимодействия проходящей УВ со слоем гранулированного материала. Модель подъема частиц по механизму поперечного рассеивания траекторий при множественных соударениях в поверхностном подвижном слое. Достоверность результатов обеспечивается детальным метрологическим анализом используемых методов траекторных измерений динамики частиц и капель за УВ, а также оценками погрешности определения параметров УВ, что подтверждается данными тестовых экспериментов, повторяемостью и согласием результатов измерений, выполненных разными методами. Апробация основных результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича (руководители: академик В.М. Фомин, профессор А.В. Федоров), а также на 11 Всесоюзн. НТК "Высокоскоростная фотография и метрология БПП" (Москва, ВНИИОФИ, 1983); 8 Intern. Symp. on Combustion Processes (Poland, 1983); Всесоюзн. сем. "Многофазные потоки в плазменной технологии. Проблемы моделирования" (Барнаул, 1984); 1 Междунар. коллоквиуме по взрываемости промышленных пылей (Варшава, Польша, 1985); 6 Всесоюзн. съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986); Совещ.-сем. по механике реагирующих сред (Красноярск, 1988); Intern. Colloquiuim on Dust Explosions (Poland, Warsawa, 1988); 3-th Intern. Seminar on Flame Structure (Alma-Ata, USSR, 1989); 4-th Intern Colloq. on Dust Explosions (Poland, 1990); 5 Всесоюз. шк. - сем. УСовременные проблемы механики жидкости и газаФ (Иркутск 1990); 13-th Intern. Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems (Nagoya, Japan, 1991); Intern. Conference on Methods of Aerophysical Research (ICMAR, Novosibirsk, Russia, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004, 2008, 2010); 6-th ICDE (Shenyang, China, 1994); 7-th International Colloquium on Dust Explosions (Bergen, Norway, 1996); Annual Scient. Conf. GAMM99 (Metz, France, 1999); Всероссийском семинаре Динамика многофазных сред (Новосибирск, 2000); Междунар. семинаре Течения газа и плазмы в соплах, струях и следах (Санкт-Петербург, 2000); Междунар. семинаре Модели и методы аэродинамики (Евпатория, 2001); VI Междунар. Научнотехнич. Конф. Оптические методы исследования потоков (Москва, 2001); VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Екатеринбург, 2001); 9-th European Turbulence Conference (Southampton, U.K., 2002); Междунар. школе-семинаре Модели и методы аэродинамики (Москва, 2002); 59-ой научно-технической конф. Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Новосибирск, 2002); Всероссийской конференции "Аэродинамика и газовая динамика в XXI веке" (Москва, МГУ им. Ломоносова, 2003); EFMC 2003 Conference (Toulouse, France, 2003); XXI Всероссийском семинаре Струйные, отрывные и нестационарные течения (Новосибирск, 2007); 7-th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics ExHFT-7 (Krakow, Poland 2009); XXII юбилейном семинаре с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Санкт-Петербург, 2010). Публикации. Основной материал диссертации опубликован более чем в 50 научных работах, среди которых 18 статей в ведущих научных журналах из перечня ВАК. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 258 страниц, в том числе 93 рисунка и 4 таблицы. Список литературы содержит 330 ссылок, в том числе 55 работ автора по теме диссертации. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, приводятся основные положения и наиболее важные научные результаты, выносимые на защиту. В Главе 1, имеющей обзорный характер, рассмотрено современное состояние исследований УВ в пылегазовых и газокапельных смесях, показаны основные направления и проблемы исследования. В з 1.1, посвященном ударным волнам при пылевом взрыве, дается характеристика явления, показаны основные направления его исследования. Рассмотрен теплообмен частиц с потоком за УВ в период скоростной релаксации и особенности нагрева частиц в сильной УВ. В з 1.2 показаны основные механизмы и источники воспламенения пылесистем. Отмечены специфические механизмы саморазогрева органических материалов, связанные с окислением летучих углеводородов. Рассмотрены общие особенности пылевых материалов, отвечающие за их взрывоопасность. Основными являются: 1) развитая поверхность раздела фаз, что определяет большую скорость межфазных обменных процессов; 2) особенности распространения УВ в пылесистемах с неподготовленной взвесью; 3) движение УВ в пылевзвеси может сопровождаться затуханием, но в сильных УВ торможение газа сопровождается дополнительным нагревом, что снижает пределы воспламенения и значительно увеличивает опасность пылевого взрыва. з1.3 посвящен распространению УВ в средах с внешним трением. Это класс задач по распространению УВ в системах преград, решетках, завесах, а также гашение УВ при взаимодействии с пылевзвесью (Борисов А.А., Гельфанд Б.Е., Фролов С.М.). Считается, что ослабление УВ связано с потерями на фронте, а явления в спутном потоке за фронтом не учитываются (гипотеза Уизема). Но в ряде задач требуется не столько знание поведения фронта УВ, а знание параметров потока за фронтом. Особенно это касается горения и детонации в таких системах (Зельдович Я.Б., Борисов Б.Е., Гельфанд Б.Е. и др.). Т.о. исследование тонкой структуры течения за фронтом УВ в двухфазной среде остается актуальной задачей в рамках проблемы пылевого взрыва. з 1.4. посвящен состоянию исследований взаимодействия УВ со слоем пыли. Предложена классификация моделей процесса с точки зрения физических механизмов. В рамках первой группы моделей рассматривают следующие механизмы: 1) формирование волн сжатия и разрежения в слое (Борисов А.А. и др.); 2) развитие на поверхности слоя неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, формирование слоя смешения и рост турбулентного слоя (Федоров А.В., Федорова Н.Н.). Ко второй группе относятся механизмы, которые учитывают лишь действие потока за УВ и физические силы, действующие на каждую частицу. Это - 1) сила, связанная с поперечным градиентом скорости газа на размере частицы (эффект Саффмана); 2) сила, вызванная вращением сферы в потоке - эффект Магнусса (Бойко В.М., Папырин А.Н.). Отмечено, что каждый из этих процессов реализуется в рамках своих физических ограничений, но, ни один не объясняет вылет частиц из слоя. Это возможно в рамках третьей группы механизмов: 1) механизм потери устойчивости поверхности раздела фаз в потоке; 2) возникновение кипящего слоя; 3) столкновения частиц. В з 1.5 рассмотрена скоростная релаксация пылегазовой смеси в УВ. Сделан обзор данных по аэродинамическому сопротивлению сферической частицы. В общем случае на тело в потоке действуют ньтоновская сила, силы связанные с градиентом давления, присоединенной массой и сила Бассе. В монографии Яненко Н.Н., Солоухин Р.И., Папырин А.Н., Фомин В.М. было показано, что в потоке за УВ можно ограничиться ньтоновской аэродинамической силой, а уравнение движения сферы радиуса r и плотностью p упрощается: 4 dV 3 r = CDr u - V (u, = const; V = 0 при t = 0). (2) p 3 dt Ключевой параметр силового межфазного взаимодействия это коэффициент аэродинамического сопротивления частиц Cx. Наиболее изученный для сферы (CD) при стационарном обтекании, он обычно представляется в виде зависимости от числа Re (рис. 1, кривая 2). В нестационарных условиях CD значительно отличается от стандартной кривой, кроме того имеет место влияние числа Маха, что не отражено в зависимостях этого вида. Литературные данные по CD частиц в УВ представлены на Рис. 1 (кривые 3 - 6). Все они получены в слабых УВ и не с одиночными частицами, а облаками частиц. Наиболее общая система корреляционных соотношений для вычисления CD предложена Хендерсоном. Для континуального режима обтекания сферы без теплообмена с газом эта система была упрощена (Яненко Н.Н., Солоухин Р.И., Папырин А.Н., Фомин В.М.), а в работе (Бойко В.М., Киселёв С.П., Фомин В.М., и др.) предложена зависимость CD=CD(Re,M) для 0.6 < М < 1.7 и больших чисел Re. В разделе 1.5.2 рассмотрено состояние исследований динамики капель в УВ. Скоростная релаксация капли происходит одновременно с деформацией и массоуносом. Для характеристики этих процессов используются числа: Вебера We = du2/, Онезорге Oh = l/(dl)-0.5, Бонда Bo = lgd2/, Лапласа Lp = dl/l2 = Oh-2. Для маловязких жидкостей (Oh<1) известны шесть типов Рис. 1. CD сферы в зависимости от числа Re. разрушения капель, а критерием 1 - опыты Ньютона; 2 - стандартная кривая смены режимов принято считать для стационарного обтекания сферы; 3-6 - число We. В УВ со скоростью потока слабые ударные волны; 3 - частицы за фронтом u>50 м/с для капель лесd 20 мкм; 4 - d 29 - 62 мкм; 5 - тественного размера d2-3 мм реаd ~ 27 мкм; 6 - d 100-250 мкм; 7 - капли лизуются два режима: срыв пограводы 0.8 - 3 мм; 8 - одиночная сфера на ничного слоя жидкости при 100< We стенке канала. < 350, срыв гребней волн (We 350). Для перемещения капли принята квадратичная функция времени: x t d p X = kT, X =, T =, =, k = const = CD. (4) d d u d В разделе собраны данные по Cx капли и показан большой разброс данных разных авторов в близких условиях (1 Cx 2.7). Показана актуальность измерения Cx капли в широком диапазоне параметров в рамках одной методики. Проведенный анализ указывает наиболее актуальные направления исследования динамики дисперсных систем в УВ: - исследование динамики одиночных частиц и капель за УВ; - исследование межфазного взаимодействия и, в частности, обратного влияния частиц на газ в период скоростной релаксации за УВ; - исследование внутрифазного взаимодействия и, в том числе, близкого парного взаимодействия частиц при их совместном обтекании; - исследование смесеобразования за УВ в заранее неподготовленных пылесистемах. 2-я глава посвящена исследованию динамики одиночной частицы в потоке за УВ и экспериментальному определению аэродинамического сопротивления. В з 2.1 приводится описание ударной трубы УТ-4М и диагностического комплекса. В данной работе основной метод регистрации процессов за УВ - высокоскоростная многокадровая теневая визуализация с лазерным стробоскопом в качестве источника света. Данные для изучения динамики частиц - это измерение положения тела Si в моменты ti пребывания тела в потоке по серии из 15-снимков с заданным интервалом 20-30 мкс. Измерения выполнялись по цифровым снимкам, а пространственное разрешение составляло примерно 50 мкм. В обоснование применяемых методик в разделе 2.1.2 выполнен анализ погрешности параметров потока за УВ, используемых при вычислении Сх. В з 2.2 введены параметры скоростной релаксации - константы длины и времени = /u из определения Сх через ускорение тела как меры аэродинамической силы. Это дает два способа определения Сх: 1) по ускорению А, 2) по параметрам скоростной релаксации, найденным независимо от А: 2mA 2m 1 (u - V )2 4 d p Cx = =, = = (для сферы). (5) A 3 CD s(u - V )2 s Показано, что ускорение, вычисляемое по данным о перемещении, с некоторыми ограничениями на размер выборки данных позволяет определять и Сх с удовлетворительной точностью. В з 2.3 рассматривается задача аппроксимации данных Si(ti) функцией S(t). t / Из уравнения движения частицы (2) ее скорость V (t) = u, 1 + t / а функция перемещения S(t) = [t / - ln(1 + t / )]. (6) Эта функция используется при фитировании экспериментальных данных Si(ti) для вычисления . Наилучший результат дает двухпараметрическая аппроксимация, позволяющая кроме того уточнить скорость потока u. По методу наименьших квадратов для массива данных из N измерений Si(ti) и функции перемещения (6) S(t; u,) справедлива система уравнений u n u ti u ut S - - ln(1 + ti ) u - ln(1 + ti ) = 0, i i i= j 1 + ti n ti u ut n N, 1 j n - 2. S - - ln(1 + ti ) u = 0, i i i= j 1 + ti Решение этой системы (u,) позволяет определять Сх тела как среднюю величину за время наблюдения, так и по выборкам данных. В разделе 2.3.2 для ранней стадии скоростной релаксации (t/<1) из (6) получена приближенная функция перемещения в виде знакопеременного полинома 1 1 1 Sa (t) / (t / )2 - (t / )3 + (t / )4 -... = (-t / )n . (6*) n 2 3 n=Обработка эксперимента с этой функцией показала, что задача аппроксимации существенно упрощается и сводится к системе линейных уравнений. Получено аналитическое решение для параметров релаксации с полиномом 3-ей степени по времени. Это представление функции S(t) показывает также, что полиномы общего вида типа S(t)=a+bt+ct2..., используемые рядом авторов, физически не корректны, поскольку первые два члена ряда не соответствуют постановке задачи о динамике частиц за УВ. В з 2.4 рассмотрена динамика частицы в ударной волне с учетом изменения аэродинамического сопротивления в ходе скоростной релаксации. Приводятся некоторые эмпирические формулы для описания Сх частиц в широком диапазоне параметров потока. Применительно к сильным ударным волнам наибольший интерес представляет переход системы через относительный трансзвуковой режим взаимодействия фаз при 0.5 < М < 1.5. Этим задачам отвечают зависимости типа Сх (Re, M) как, например, (3) с одновременным учетом параметров Mr и Rer. Поскольку при скоростной релаксации относительная скорость частицы V - u входит в оба параметра, они оказываются сцепленными Rer = Mrkre, где kre = cd/ - коэффициент, вычисляемый как число Re, но по скорости звука c (лзвуковое число Рейнольдса). Тогда соотношение (3) становится функцией только одной переменной - Mr (см. рис. 2): 0.0.4 + 24 + Cx = 1 + exp-, (7) M4.63 Mrkre Mrkre r Установлено, что для сильных УВ предположение о постоянстве сопротивления частицы в ходе ее скоростной релаксации справедливо в течение t/ ~ 1, а в дозвуковой области в интервале 0.6 < M < 1 наблюдается близкий к линейному спад сопротивления в ходе ускорения частицы. В разделе 2.4.3 рассмотрена динамика частицы при линейной зависимости сопротивления от относительного числа Маха. Получены кинематические функции для этого режима, и проведено их сравнение с точной и приближенными функциями перемещения, а также с экспериментальными данными. Показано, что приближенная функция перемещения в виде полинома менее чем пятой степени может использоваться для фитирования данных по перемещению частиц в ударной волне только при t/ < 0.2. Рис. 2. Изменение СD частицы (кривая 6) при скоростной релаксации за УВ для начальных В з 2.5 рассмотрена задача о чисел M0 = 1.8 и Re0 = 104 (7). Кривые 1-5 - профиле скорости частицы в ходе СD(М) при фиксированных числах скоростной релаксации в потоке за Re ~ 10000, 5000, 3333, 2500 и 2000, соответУВ применительно к восстановлественно; точки A,B,C,D,E соответствуют нию скорости газа в произвольный времени 0, , 2,... момент скоростной релаксации системы. В з 2.6 с помощью отработанных алгоритмов экспериментально исследовано Cx свободно ускоряющихся несферических тел, а также CD сферы на ранней стадии скоростной релаксации в потоке за УВ при числах М потока 0.5-1.2 (рис. 3). Установлено: сопротивление несферического тела и сферы в этих условиях близки и существенно зависят от стадии скоростной релакРис. 3. Cx куба и CD сферы в потоке за УВ: сации. Так темными символами на 1, 2 - сфера и куб за время усреднения рис. 3 показаны данные по Cx, полу- t/~0.2; 3, 4 - сфера и куб за время усреднения t/~0.7; кривая 5 - CD сферы при ченные за время наблюдения t/~0.7, Re ~ 105 и установившемся обтекании по а светлыми - данные, полученные (7); кривые 6 и 7 для t/~0.7 и t/~0.2 по по выборкам из тех же массивов за (7*). время t/~0.2. Найдена зависимость аэродинамического сопротивления частиц от времени на ранней стадии скоростной релаксации A(t / ) , A(t / ) + 24 + CD = 1 + exp Mrkre M4.63 Mrkre r (7*) 0.4(t / )2 + A(t / ) =. (t / )2 + 1.Глава 3 посвящена динамике и разрушению капли в потоке за УВ. В з 3.рассмотрены особенности исследования динамики капли в потоке и в частности показано, что деформация и массоунос существенно влияют на динамику капли, измерения Cx и интерпретацию данных из-за сложной корреляции характерных времен этих процессов. Изучались капли пяти маловязких жидкостей - вода, спирт, тридекан, гексан и ацетон. Регистрация динамики взаимодействия капли с УВ осуществлялась методом импульсной высокоскоростной киносъемки по схеме, описанной в Главе 2. Для того чтобы максимально продлить во времени стадию Рис. 4. Капля воды через 260 мкс скоростной релаксации капли до начала пребывания в УВ в момент начала массоуноса, опыты проводились в слабых массоуноса при We = 400. Поток УВ с дозвуковым потоком за фронтом в движется слева направо. диапазоне чисел Вебера 200 В з 3.2 изучена деформация капли в потоке и возможность ее учета при оценке аэродинамического сопротивления. Помимо количественных данных о темпе деформации, по большому числу опытов сделаны следующие наблюдения. При достаточно высокой воспроизводимости условий эксперимента повторяемости картины деформации капли в момент начала разрушения нет. Это связано со стохастическим характером взаимодействия возмущений поверхности капли Рис. 5. Скорость капли спирта в потоке за и внутренних колебаний, имеющих ударной волной: кривые 1, 3 построены по различный масштаб, природу, зави(8) и (6); 2 - эксперимент; число М УВ симость от внешнего потока и стеMs = 1.316, число М потока М = 0.43, скопень обратного влияния на него. Их рость потока u=160 м/c, диаметр капли случайная суперпозиция приводит к d = 2.3 мм, число Вебера We = 5000. нарушению симметрии капли и внешнего потока, что провоцирует потерю целостности и очаговое разрушение (рис. 4). До начала массоуноса динамика капли удовлетворительно описывается в предположении линейного роста миделя d=d0(1+t/t2d), t2d - время предельной деформации. Уравнение движения (2) в этом случае дает выражение (8), которое сравнивается с экспериментом на рис. 5. d0 V (t) t 4 t 1 t p =, * =, C* = CD 1 + +. (8) u t + * 3 uC * t2d 3 t2d Согласно (8) за время t/t2d 1 параметр С* достигает величины 2.3СD, что близко к величине аэродинамического сопротивления, померенного для случая на рис. 5, и сравнимо с данными других авторов для капель воды (см. рис. 1). В з 3.3 приводятся результаты исследования разрушения капли маловязкой жидкости в потоке за УВ. В разделах 3.3.1, 3.3.2 анализируются графические данные экспериментов и показаны основные особенности разрушения капель на двух срывных режимах массоуноса - срыв погранслоя и срыв гребней волн. Сформулирована феноменологическая картина взаимодействия капли с УВ, и выделены следующие процессы. При скорости потока 50 u 200 м/с вблизи сферической капли устанавливается течение газа (при Re 103 - отрывное) с неоднородным распределением давления по поверхности. Капля испытывает ускорение u/ ~ 104 м/с2 и деформацию с поперечной скоростью жидкости до 20 м/с и ускорением порядка 105 м/с2. Под наветренной поверхностью капли формируется сопряженный погранслой, что также способствует перемещению жидкости к миделю, а с понижением внешнего давления в области отрыва потока это приводит к образованию острых кольцевых кромок на контуре капли (изломы образующей). Здесь, как в наиболее нестабильных для поверха) б) Рис. 6. Фрагменты теневых серий эволюции ностных сил областях, начинается капли воды к моменту начала массоуноса: разрушение поверхности и массоWe = 400 (а), 2100 (б). унос жидкости (рис. 6). Для проверки гипотезы о связи изломов образующей с отрывом потока выполнено экспериментальное моделирование внешнего течения вблизи и в аэродинамическом следе капли в стационарном потоке при числах Re 103. В разделе 3.3.3 приводятся результаты экспериментов по обтеканию жесткой модели капли. Регистрация поля течения выполнялась двумерной схемой PIV с использованием комплекса производства УOxford LasersФ. Моделировалось обтекание на стадии деформации капли с двумя изломами образующей и выполаживанием донной поверхности (рис. 7). Установлено, что течение вблизи капли нестационарно, но имеет устойчивые вихревые структуры: 1 - зона рециркуляции за точкой отрыва; 2 - зона рециркуляции в следе с интенсивным противотоком вдоль оси тела и радиальным растеканием у донной поверхности; 3 - изолированный тороидальный вихрь, периодически зарождающийся у донного среза теРис. 7. Поле скорости потока вблизи и в ла и дрейфующий в дальний след. следе модели капли: 1 - зона рециркуляции Поток огибает все три области и заза точкой отрыва потока; 2 - возвратное мыкается в следе, а видимый размер течение в следе; 3 - тороидальный вихрь. капли определяется продуктами дробления, летящими поверх отрывных зон. Таким образом, эволюцию формы капли можно рассматривать как отклик поверхности на неоднородность распределения внешнего давления газа, особенно выраженную в точках отрыва потока, а характер распределения тангенциальной скорости газа способствует внутреннему движению жидкости к зонам массоуноса. В разделе 3.3.4 приведены исследования периода индукции разрушения капель маловязких жидкостей в потоке за УВ. В исследованном диапазоне параметров реализуются два срывных механизма разрушения капель: 1) срыв погранслоя - время индукции срыва соответствует времени его формирования (Ranger A.A.): ti1 0.37t0 = 0.37(d0/u)(l/)1/2, (9) Рис. 8. Время индукции разрушения капли 2) срыв гребней волн, образующихся гексана в зависимости от скорости потока за при развитии неустойчивости К-Г с фронтом УВ: значки - эксперимент, 1 - расхарактерным временем развития чет по выражению (9), 2 - расчет по выраже(Mayer E.): нию (10). 1/ 2 / 3 1/ ti2 = B l 3 l 3 (u / 2)-4 / 3 (10) По рис. 6 видно, что в данных экспериментах время индукции срыва микрочастиц ti надежно измеряется и может использоваться для сравнения с расчетным (рис. 8). Анализ картины массоуноса и количественных данных по задержкам разрушения показал, что в исследованном диапазоне наблюдаются признаки и первого, и второго механизмов, однако реализуется тот из них, время индукции которого меньше. Из условия ti1 ti2 получен критерий смены срывных механизмов разрушения капель в виде We 1.65104Oh0,4. В з 3.4 исследуется аэродинамическое сопротивление капли на ранней стадии скоростной релаксации в ударной волне. За коэффициент аэродинамического сопротивления жидкой деформируемой капли Cx принимается эквивалентный CD твердой сферы с диаметром исходной капли. Cx определяется из выражения (6*) с одним членом полинома аппроксимацией экспериментальных данных по перемещению передней кромки капли и, где это было возможно, центра массы. Аппроксимация проводилась по выборке размера nN из массива данных по перемещению размера N, и были получены средния значения коэффициента Cx за время tn. Повторяя процедуру для n+1, n+2Е точек, для каждого эксперимента получали значения Cx в моменты времени tn, tn+1 Е tN (рис. 9). Приведенные результаты позволяют объяснить разброс значений коэффициента сопротивления капель, полученных разными авторами, отличием времени наблюдения процесса в разных работах. Сравнение Cx с сопротивлением, полученным по динамике центра массы капли, показало, что последнее сравнимо с сопротивлением твердой сферы и значительно меньше величины, определенной по передней кромке. В Главе 4 рассмотрено обратное влияние частиц примеси на параметры газа за УВ как важный эффект межфазного взаимодействия в условиях скоростной неравновесности. з4.посвящен экспериментальному исследованию взаимодействия УВ с облаками дисперсной фазы, и, в частности, показана зависимость динамики частиц от концентрации. Исследовались взвеси в виде пелены и компактных образцов, как на рис. 10, с различной плотностью материала и концентрацией. Установлено, что в сильных УВ перемещение частиц передней кромки облака при изменении концентрации от 0.1% до 1% уменьшается почти в 2 раза. Показано, что влияние концентрации на динамику ускорения частиц в облаке обусловлено изменением волновой структуры на частицах при сверх- Рис. 10. Волновая структура за УВ, бегущей в облаке частиц при звуковом обтекании. В частности, в экспери < 0.1% (вверху) и 1% (внизу). ментах установлены два режима взаимодействия УВ с облаком частиц: с головными скачками на каждой частице и с коллективной головной волной (рис. 10). Во втором случае ускорение частиц меньше и из-за снижения Cx в дозвуковой области за скачком, и из-за снижения скорости газа. Но в протяженном облаке может иметь место другой механизм смены режима обтекания, а именно монотонное изменение относительного числа Маха в ходе торможения и нагрева газа при прохождении стесненного участка канала. В з4.2 рассмотрена модель нестационарности течения за УВ при распространении в облаке частиц. С использованием известного механизма взаимодействия потока с экраном - однородным по сечению набором идентичных элементов, который в принятых приближениях является поверхностью разрыва газодинамических функций (Жигалко Е.Ф.) - построена физическая модель взаимодействия УВ с пылевзвесью как системой ускоряющихся экранов. В разделах 4.2.1, 4.2.2 из соотношений на единичном экране получен вид газодинамических функций в системе экранов uu( ) M ( ) d ( ) , = exp- c * =, u0 0 u( ) [M2 ( ) - 1] (q + 1)3 (11) P( ) ( ) ( - 1)M ( ) d = expc * P0 0 0 ( ) - 1] + 1)3 [M2 (q (q = 1-u0/VS, u0 и VS - невозмущенные скорости газа и фронта, = t/ - безразмерное время), а также интегральное уравнение для числа М потока (раздел 4.2.3) 2 ( - 1)M ( ) d . M ( ) = M2 exp- c * [M ( ) - 1] (q + 1)3 Найдено его решение 1 1 c1 = 1 - - 1 - -, 1 2 q M ( ) M (q + 1)2 -(12) 1 q 1 1 1 - - - 1 = *, q 0 c1 M где c1 ~ p/, - объемная доля частиц, *- время вырождения потока в трансзвуковое состояние. Из (12) получен критерий нестационарности (рис.11): p 1 . (13) k - = Q(M) M2 В разделе 4.2.3 интегрированием выражений (11) с учетом зависимости (12) получен явный вид газодинамических функций потока в пылевзвеси в лагранжевых переменных: u P M0 T Mu 1 1 = exp- - =, =, =, (14) , 2 u0 2( -1) M M0 0 u0 P0 0 M T0 M М=М() находится из (12). Показано, что максимальное отличие параметров газа от невозмущенных достигается в состоянии трансзвуковой относительной скорости смеси. В з 4.4 рассмотрена задача о трансзвуковом переходе за УВ, бегущей по пылегазовой смеси. Переход наблюдался в ближнем сверхзвуке в условиях выраженной нестаРис. 11. Критерий коллективного влияционарности газовой фазы, связанния частиц на поток по (13); область над ной с межфазным обменом количекривой - нестационарное взаимодейстством движения на ранней стадии вие УВ с газовзвесью; переход к режиму скоростной релаксации фаз при объодиночных частиц в сильных УВ (А) и в емной концентрации порядка 10-3. слабых УВ (В и С). Показано, что влияние нестационарности газовой фазы на поведение дисперсной фазы неоднозначно. На этом режиме подветренная кромка облака ускоряется быстрее наветренной, и даже быстрее одиночной частицы при тех же параметрах УВ. Это указывает на рост динамического напора вдоль двухфазной области, и подтверждает эффект ускорения газа в дозвуковой области взаимодействия фаз, предсказанный с помощью модели ускоряющихся экранов. Показана значительная хаотичность продольной компоненты скорости частиц, что свидетельствует о близких внутрифазных взаимодействиях типа УсоударенийФ. Установлено хорошее согласие (14) в экспериментах по динамике частиц в условиях нестационарности потока за УВ. В 5-й главе рассматривается внутрифазное взаимодействие частиц в потоке за УВ. Экспериментально исследовано влияние близко расположенных частиц друг на друга через несущую среду по двум механизмам: взаимодействие через спутный след при продольном расположении частиц в потоке одна в следе другой (з 5.1); волновое взаимодействие частиц с линией центров, расположенных поперек потока (з 5.2). В разделе 5.1.1 дана классификация режимов сверхзвукового обтекания связаной осесимметричной пары тел (Хлебников В.С.). В зависимости от расстояния l между телами реализуется одна из двух схем течения: при l < l* - отрывная схема течения, в которой поток отрывается с переднего тела и присоединяется к заднему; при l > l* - схема течение с классическим следом за передним телом и головным скачком уплотнения перед задним телом. Приводится оценка для величины l* из работы Хлебникова В.С. для прямой перестройки течения между телами (удаление тел). В разделе 5.1.2 приводятся результаты экспериментов по обтеканию продольной системы свободных сфер за УВ с числом Маха М = 1,5. Показано, что для несвязанных сфер за ударной волной имеет место обратная перестройка течения (сближение тел) с теми же газодинамическими структурами, что и для прямой перестройки (рис.12). А именно, при прохождении фронта ударной волны через такую систему возникает головной скачок у передней сферы, далее формируется отрывная зона с рециркуляцией потока, называемая ближним следом (зона 1 на рис.13, а). При достаточном расстоянии между сферами вниз по потоку от застойной зоны 1 и хвостового скачка 2, замыкающего эту зону, в следе 3 перед задним телом образуется головной скачок 4. При сближении сфер, как это наблюдается в экспериментах, головной скачок перед второй сферой исчезает. Устанавливается течение с присоединением отрывной зоны к задней сфере (рис.12, кадр 12) аналогично начальРис. 12. Перестройка структуры течения в продольной системе несвязанных ной фазе при прямой перестройке сфер при скоростной релаксации в (рис.13, б). сверхзвуковом потоке за УВ; М=1.4. а) б) Рис. 13. Обтекание продольной системы тел; а)- схема течения со скачком уплотнения перед задним телом (l > l*), б) - отрывная схема течения (l < l*). Для изучения влияния переднего тела на сопротивление заднего использовался инженерный метод расчета давления на поверхности сферы, расположенной в следе другой сферы (Хлебников В.С.). Численно решалась система уравнений, в которую вошли: уравнение сохранения энергии; уравнение сохранения импульса поперек следа; профиль скорости в следе; соотношение для ширины турбулентного следа (известный закон 1/3) и уравнение состояния. При расчете давления на поверхности задней сферы использовалась усовершенствованная формула Ньютона p p = cos2 () + sin () p0 p p - давление на поверхности сферы; p0 - давление торможения за скачком в струйке тока, подходящей к данной точке; - центральный угол. По рассчитанным распределениям давления на сфере интегрированием получены коэффициенты сопро- Cd 1,тивления CD для случая отрывного те0,чения и течения с головным скачком уплотнения в зависимости от расстоя0,6 ния между ними (рис. 14). Проведено сравнение расчетных траекторий про0,дольной системы сфер с экспериментальными данными и показано хоро0,01шее согласие для цепочки из двух l/d сфер с расчетным сопротивлением. Рис. 14. Расчетное CD сферы, расположенПоказана возможность многократных ной в следе другой сферы в зависимости от соударения частиц в продольной сисбезразмерного расстояния между ними: 1 - теме, как причины их хаотической CD при l < l*, 2 - при l > l*. скорости. з 5.2. посвящен исследованию процесса формирования коллективного головного скачка перед поперечной системой сфер в сверхзвуковом потоке за проходящей УВ. В разделе 5.2.1 рассмотрены некоторые эффекты волнового взаимодействия частиц в потоке применительно к нестационарности двухфазного течения за УВ и к особенностям трансзвукового перехода в этих условиях. В разделе 5.2.2 представлены результаты экспериментов с фиксированными сферами при различном расстоянии между ними. Анализ ударноволновых структур показал, что при М > 1 в зависимости от расстояния между телами реализуются следующие волновые структуры. При больших числах Маха и больших расстояниях наблюдается режим регулярного отражения головных скачков (рис. 15, а). С уменьшением расстояния между сферами или числа М наблюдается режим с тройными конфигурациями, известный как маховское отражение (рис. 15, б). Он является промежуточным между первым режимом и режимом с коллективной головной волной (рис. 15, в), который наблюдается при дальнейшем уменьшении расстояния. Рис. 15. Теневые снимки типов интерференции головных скачков перед поперечной системой сфер: а - регулярное отражение скачков; б - маховское отражение с тройными конфигурациями; в - коллективный скачок. Аналогичные структуры зарегистрированы также при постоянном расстоянии между сферами, но с уменьшением числа М потока. Сделан вывод, что данные типы структур являются стадиями формирования коллективного головного скачка при уменьшении относительного числа М в ходе скоростной релаксации, а переход к маховскому отражению является необходимым условием образования коллективного головного скачка. В качестве критерия смены режима определены области существования регулярного и маховского отражения. Используется двумерная теория интерференции газодинамических разрывов как оценка сверху, т.к. из-за трехмерного растекания потока на сфере интенсивность головного скачка ниже, чем плоского скачка при том же удалении от оси тела. Для определения интенсивности скачка JR при смене режима отражения использовалась процедура вычисления параметров интерференции скачков, взятая из монографии Адрианов А.Л., Старых А.Л., Усков В.Н.(1995), но с учетом угла и интенсивности приходящего скачка при конкретной геометрии головной волны. В разделе 5.2.3 по графическим данным показано, что форма головной волны сферы при числе М<2 соответствует гиперболе общего вида xy (15) = 1, a = R(M2 -1), b = R M2 -a b с углами асимптотики , удовлетворяющими условию sin = 1/M (рис.16). Эмпирические параметры a и b получены аппроксимацией графических данных, как и R - радиус кривизны скачка вблизи оси симметрии. В расчетах интенсивности скачков в точке пересечения использовалось выражение, полученное из (15) для угла наклона скачка на заданном удалении R y =. (16) -tg2()-(M2 -1) Рис. 16. Геометрия гиперболы для аппроксимации формы головной волны перед сферой. - угол асимптотики гиперболы (sin = 1/M); 0 - отход головного скачка от сферы; а - параметр в уравнении гиперболы (15). . При фиксированном числе М для интересующей интенсивности скачка JR определяется угол наклона скачка cp -J = (1+ )M2 sin2 - , =, =, +1 cv после чего из (16) вычисляется поперечная координата y точки на головном скачке с такими параметрами. В разделе 5.2.3 приведены результаты экспериментов со свободными сферами в потоке за проходящей УВ. По волновой картине регистрировалась принадлежность картины обтекания системы сфер к одному из трех режимов (рис.17). Рис. 17. Критерий перехода от регулярного взаимодействия головных скачков (над кривой 1) к маховскому в зависимости от расстояния =l/d и числа М. Расчетные кривые: 1 - граница областей, 2 - размер дозвуковой области перед сферой. Эксперименты: 3 и точка А - регулярная интерференция, 4 - маховское отражение, 5 и точка В - формирование коллективной волны, точки А, В для стационарного обтекания. Расчетная кривая 1 - расстояние между сферами, при котором происходит переход от регулярного отражения к маховскому. Расчетная кривая 2 - размер дозвуковой области перед одиночной сферой. Точки - экспериментальные данные: регулярная интерференция 3, маховское отражение 4 и единый волновой фронт 5. Вертикальными отрезками I обозначена измеренная длина маховского скачка, через который смыкаются дозвуковые области течения около сфер на стадии маховского отражения. Т.о. полученный критерий подтвержден в диапазоне чисел М потока 1.15<М<1.75 экспериментами данной работы и для М=2.литературными данными. Глава 6 посвящена исследованию смесеобразования за УВ, скользящей над слоем пыли. В з 6.1 в качестве предварительных замечаний рассмотрены масштабные факторы процесса, особенности экспериментального моделирования и регистрации подъема слоя. В з 6.2 приведены опыты по подъему одиночных частиц за УВ. Показано, что сферические частицы за УВ катятся вдоль стенки, но не поднимаются. Частицы неправильной формы в этих же условиях отрываются от стенки, но прежде также начинают катиться. Предложен критерий подъема частиц: катящаяся несферическая частица отрывается от стенки или поверхности слоя, при условии, что ускорение вертикальных колебаний центра массы превышает гравитационную постоянную g. Таким образом, подъем несферической частицы размером d с гладкой стенки или сферической частицы с поверхности слоя с шероховатостью порядка d происходит при скорости качения ux 2dg с вертикальной скоростью V0 dg. Начальная скорость частиц при вылете слишком мала, чтобы объяснить наблюдаемую высоту подъема, но указывает на существование промежуточного состояния между слоем частиц и взвешенным состоянием. Это состояние характеризуется высокой концентрацией и подвижностью, и в стационарном состоянии известно как кипящий слой. В з 6.3 приведены результаты экспериментов по взаимодействию УВ со слоем пыли. Использовалась угольная пыль с размером частиц d < 100 мкм при различной толщине слоя и состоянии поверхности. Поведение слоя регистри- ровалось многокадровым теневым методом, а Рис. 18. Подъем слоя угля с искусственной турбулизацией за измерения подъема выполнялись по границе УВ; интервал между кадрами прозрачности взвеси, которая в данных услови50 мкс. ях соответствовала объемной доле 10-2. В разделе 6.3.1 рассмотрено влияние отклонения потока на передней кромке образца как одной из причин возмущений потока, влияющих на подъем слоя. Показано, что темп подъема вблизи кромки и на удалении существенно не отличается и составляет примерно 5 м/с. В разделе 6.3.2 показано также отсутствие влияния толщины слоя на задержку и темп подъема за УВ. В разделе 6.3.3 исследовался слой угольной пыли с выраженой шероховатостью поверхности (рис. 18). Эксперименты выполнены в условиях, близких к предыдущим: число Маха УВ MS = 1.35, скорость газа u2 = 175 м/с, интервал между кадрами t = 5010-6с. Показано, что в последнем случае темп подъема взвеси выше (6-7 м/с), впрочем, несущественно для столь грубой шероховатости поверхности. Таким образом, в з 6.3 получены количественные данные по темпу подъема слоя угольной пыли за УВ, а также приводятся наблюдения качественного характера о состоянии и поведении слоя. Установлено, что толщина слоя и шероховатость поверхности существенного влияния на подъем не оказывают. Оценки концентрации взвеси на границе прозрачности позволяют сделать вывод о состоянии пылесистемы как псевдоожиженном с большой подвижностью частиц и малой Рис. 19. Кривая 1 - среднее расстояние между центрами частиц = l/d длиной свободного пробега частиц. по (17); 2 - длина свободного пробеВ з 6.4 впервые исследованы параметры га R/d = r по (18) в зависимости от плотной взвеси в переходном состоянии межобъемной концентрации частиц . ду плотно упакованным и взвешенным. Получены оценки объемной концентрации в области плотной взвеси (0.7>>10-2) и найдена зависимость среднего расстояния между частицами от объемной концентрации (кривая 1, рис.19) l 2 2 0. = = arcsin . (17) d 6 3 Показано, что ниже границы прозрачности реализуется состояние взвеси с малым расстоянием между частицами 0<3. Выведена функция вероятности столкновений для малых , из которой получена длина свободного пробега частиц в плотной взвеси при концентрации 0.7>>10-3 (кривая 2, рис.19) 2 / R 0.71 r = 0.77 + . (18) d 8 Для d ~ 10-4м длина свободного пробега R~0.5 мм, и частицы, вылетевшие с поверхности отложения, не могут преодолеть 3-4 мм толщины плотной взвеси без многократных соударений. Это подтверждает предположение о существовании промежуточного состояния между плотноупакованным и взвешенным. В з 6.5 приведен анализ данных по подъему слоя угольной пыли в потоке за УВ. Опыты с одиночными частицами, данные о темпе подъема слоя и анализ параметров взвеси положены в основу феноменологической картины процесса, которая сводится к следующему (раздел 6.5.1). Состояние взвеси на верхней границе является откликом на процессы у нижней границы с точностью до потерь вертикальной компоненты импульса частиц в гравитационном поле. В частности, непрерывный поток частиц с поверхности плотноупакованного слоя и усреднение параметров взвеси по столкновительному механизму приводят к росту высоты плотной взвеси, как если бы это был кипящий слой на стадии формирования. В предположении сохранения потока частиц в плотной взвеси получена оценка массообмена с потоком: для данных экспериментов эрозия 70 кг/(см2). Что касается баллистической зависимости темпа подъема границы плотной взвеси, то она определяется не скоростью вылета частиц из слоя, а скоростью их соударений. В разделе 6.5.2 рассмотрены соударения частиц как механизм подъема пылевзвеси за УВ. При концентрации 0.7>>10-2, характерной для плотной взвеси, столкновения между частицами весьма вероятны, а каждое соударение частиц приводит к поперечному рассеиванию их траекторий. В случае сферических частиц одного размера их вертикальная компонента скорости после соударения Vy (,) = V 1- sin , 0 1, 0 , (19) где V - скорость соударения, - прицельный параметр соударения, - угол наклона плоскости соударения к плоскости слоя. Усреднение функции (19) по и дает среднюю вертикальную компоненту скорости частиц V0=V(2k/). Скорость соударения V оценивалась из кинематических функций на заданной длиV u 2rd / не свободного пробега r:, где - константа длины скоростной релаксации = 2 d / Cx 5103 d. Таким образом, установлено, что V 0.03u, и p для данных экспериментов при u 150-170 м/с скорость соударения частиц V 5-7 м/с, а средняя начальная вертикальная скорость V0 3-5 м/с. з 6.6 посвящен баллистической модели подъема взвеси, образующейся за УВ по описанному выше механизму ожижения слоя. В разделе 6.6.1 показано, что осаждение частиц, являясь конкурирующим подъему процессом, описывается универсальными параметрами, которые, однако, имеют отличия от процессов в покоящемся газе. В частности, установившаяся скорость осаждения v = 2 ( / )(dg / Cx ) (скорость витания) за УВ на порядок больше, чем в по3 p коящемся газе из-за отличия Cx. Величина имеет также смысл критерия подъема частицы в восходящем потоке: если скорость газа имеет вертикальную компоненту uy > , то частицы будут подниматься. В разделе 6.6.2 получены оценки скорости и высоты подъема частиц при известной начальной вертикальной скорости V0. Решалось уравнение движения d - = 1+ 2 ( = 0 = V0 /v при = 0), где =V/v, =t/y, y= /g. (20) d Показано, что его решение ( ) = tg( * - ) содержит верхний предел интегрирования - время подъема на максимальную высоту *: Vt * * = = arctg (причем 0 < t*/ < /2) (21) v y cos( - t / ). (22) t * -t y H (t) = v ln и записывается как V (t) = vtg , откуда cos y Проведено сравнение зависимости (22) с экспериментальными данными и показано их хорошее согласие (напр., Рис.20 пунктирная линия). Рис. 20. Динамика подъема границы прозрачности слоя бурого угля за УВ; символы - измерения высоты границы прозрачности слоя в двух сечениях канала; число Маха УВ MS = 1.54; скорость газа u2 = 260 м/с; размер частиц d < 100мкм; В заключении представлены основные результаты и выводы диссертационной работы. Описанные подходы расширяют исследования взаимодействия ударных волн с пылегазовыми и газокапельными системами как на уровне одиночных частиц, так и для взвесей, а также позволяют исследовать физические механизмы межфазного и внутрифазного взаимодействия, как для усредненных параметров двухфазного течения, так и на уровне отдельных частиц. А именно: 1. Впервые в рамках одного подхода выполнены экспериментальные исследования динамики ускорения одиночных частиц (сферической и неправильной формы) в потоке за проходящей УВ в диапазоне чисел Маха потока 0.5-1.и чисел Рейнольдса 103 -105. Установлено, что на ранней стадии скоростной релаксации (до t/1) коэффициент аэродинамического сопротивления СD частиц в 2-3 раза превышает таковое для сферы при стационарном обтекании, и показана тенденция его приближения к стандартной кривой сопротивления с увеличением времени осреднения (t/ >1). 2. Впервые детально исследованы два механизма срывного типа разрушения капель маловязких жидкостей в УВ в диапазоне чисел Вебера 220 < We < 8000. Изучены структура течения вблизи и в следе капли и особенности деформации и разрушения капли, получены зависимости задержек разрушения от числа Вебера, и найден критерий смены срывных механизмов разрушения от свойств жидкости и параметров потока. Получены новые данные по аэродинамическому сопротивлению капли в широком диапазоне чисел Вебера. 3. Впервые экспериментально исследовано нестационарное взаимодействие УВ с облаками частиц при различной концентрации дисперсной фазы и установлены два режима: 1) при концентрации частиц менее 310-3 головные скачки формируются около каждой частицы; 2) с повышением концентрации скачки образуют коллективную головную волну, а частицы приобретают хаотическую компоненту скорости. На основе физической модели нестационарного взаимодействия ударной волны с пылевым облаком как с системой экранов получены определяющие параметры и критерии нестационарности потока. Экспериментально установлено, что одним из механизмов формирования коллективного головного скачка является трансзвуковой переход в облаке частиц. 4. Впервые экспериментально исследованы механизмы внутрифазного взаимодействия частиц в сверхзвуковом потоке за УВ для двух канонических конфигураций: взаимодействие через спутный след в продольной системе частиц и волновое взаимодействие частиц с линией центров, расположенных поперек потока. В продольной системе тел экспериментально установлены соударения частиц, приводящие к появлению хаотической компоненты скорости в облаке частиц. Изучены физические условия и получены критерии формирования коллективного головного скачка перед поперечной системой сфер от расстояния между телами и числом М потока за УВ. 5. Экспериментально исследована динамика подъема слоя угольной пыли в потоке за ударной волной, и впервые получены данные о взвеси как псевдоожиженном состоянии пылесистемы с множественными столкновениями и хаотическим движением частиц. Предложен один из механизмов подъема частиц, предполагающий, что между слоем частиц и взвесью имеет место промежуточное состояние пылесистемы типа кипящего слоя. Оно характеризуется высокой концентрацией и подвижностью частиц, а столкновения частиц приводят к поперечному рассеиванию их траекторий и, в том числе, к подъему. В рамках данного подхода получены и подтверждены экспериментально зависимости скорости и высоты подъема от параметров течения и свойств частиц. Выполненные исследования позволили создать новое направление в динамике многофазных сред - динамика высокоградиентных двухфазных течений на ранней стадии скоростной релаксации фаз. ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ Ведущие рецензируемые научные журналы, входящие в перечень ВАК: 1. Бойко В.М., Папырин А.Н., Поплавский С.В. О динамике разрушения жидкой пленки за фронтом ударной волны // ФГВ. 1987. Т. 23. № 1. C. 123-127. 2. Бойко В.М., Папырин А.Н., Поплавский С.В. О динамике дробления капель в ударных волнах // ПМТФ. 1987. № 2. C. 108-115. 3. Бойко В.М., Папырин А.Н., Поплавский С.В. О влиянии летучих на задержки воспламенения газовзвесей угольных пылей в ударных волнах // ФГВ. 1991. Т. 27. № 2. C. 101-111. 4. Бойко В.М., Папырин А.Н., Поплавский С.В. О механизме воспламенения пылей в проходящих ударных волнах // ФГВ. 1993. Т. 29. № 3. C. 143-148. 5. Бойко В.М., Киселёв В.П., Киселёв С.П., Папырин А.Н., Поплавский С.В., Фомин В.М. О некоторых особенностях течения газа при взаимодействии ударных волн с облаком частиц // Докл. РАН. 1995. Т. 340. № 2. C.188-190. 6. Бойко В.М., Киселёв В.П., Киселёв С.П., Папырин А.Н., Поплавский С.В., Фомин В.М. О взаимодействии ударных волн с облаком частиц // ФГВ. 1996. Т. 32. № 2. C. 86-99. 7. Boiko V.M., Kiselyov V.P., Kiselyov S.P., Papyrin A.N., Poplavski S.V., Fomin V.M. Shock wave interaction with a cloud of particles // Shock Waves. 1997. V. 7. P. 275-285. 8. Бойко В.М., Поплавский С.В. О влиянии жидких углеводородов на воспламенение металлических порошков в ударных волнах // ФГВ. 1998. Т. 34. № 2. C. 108-113. 9. Бойко В.М., Поплавский С.В. Воспламенение в воздухе порошков алюминия в смесях с жидкими углеводородными топливами // ФГВ. 1999. Т. 35. № 1. С. 35-40. 10. Бойко В.М., Клинков К.В., Поплавский С.В. Трансзвуковой переход за ударной волной, бегущей по пылегазовой смеси // Известия РАН. МЖГ. 2000. № 4. C. 165-173. 11. Boiko V.M., Poplavski S.V. Self-ignition and ignition of aluminum powders in shock waves // Shock Waves. 2002. V. 11. Nо. 4. P. 289-295. 12. Boiko V.M., Poplavski S.V. Dynamics of irregularly shaped bodies in a flow behind a shock wave // Comptes Rendus, Mechanics. Paris. 2004. V. 332. No. 11. P. 181-187. 13. Бойко В.М., Клинков К.В., Поплавский С.В. Коллективный головной скачок перед поперечной системой сфер в сверхзвуковом потоке за проходящей ударной волной // Известия РАН. МЖГ. 2004. № 2. C. 183-192. 14. Бойко В.М., Поплавский С.В. Аэродинамическое сопротивление частиц несферической формы в потоке за ударной волной // ФГВ. 2005. Т. 40. № 1. С. 35-40. 15. Бойко В.М., Поплавский С.В. Динамика частиц и капель в потоке за ударной волной // Известия РАН. МЖГ. 2007. № 3. C. 110-120. 16. Бойко В.М., Поплавский С.В. Особенности динамики капли воды в потоке за ударной волной // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. 2008. Т. 3. Вып. 2. С. 28-17. Бойко В.М., Поплавский С.В. К вопросу о динамике ускорения капли на ранней стадии скоростной релаксации в ударной волне // ФГВ. 2009. Т. 40. № 2. С. 101-110. 18. Федоров А.В., Шульгин А.В., Поплавский С.В. О движении частицы за фронтом ударной волны // ФГВ. 2010. Т. 46. № 2. С. 101-110. Рецензируемые научные журналы: 19. Boiko V.M., Papyrin A.N., Poplavski S.V. On Ignition of Coal Powder Clouds in Shock Waves // Archivum Combustionis. 1989. V. 9. No. 1/4. P. 8-15. 20. Boiko V.M., Papyrin A.N., Poplavski S.V. On Peculiarities of Coal Dust Ignition in Incident Shock Waves // Archivum Combustionis. 1993. V. 13. No. 3-4. P. 248-252. 21. Boiko V.M., Poplavski S.V. On the effect of particles concentration on acceleration of a dusty cloud behind the shock wave // Archivum Combustionis. 1997. V. 17. No. 1-4. P. 19-26. Статьи в трудах, материалах международных и всероссийских конференций, в сборниках научных трудов: 22. Бойко В.М., Папырин А.Н., Поплавский С.В. О механизме уменьшения задержек воспламенения пылегазовых смесей в проходящих ударных волнах // Хим. физика процессов горения и взрыва. Детонация. Черноголовка, 1992. C. 94-95. 23. Boiko V.M., Papyrin A.N., Poplavski S.V. Ignition Mechanism of Coal Suspension in Shock Waves // 13-th Intern. Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Nagoya, Japan, 1991. Dynamics Aspects of Explosion Phenomena. Progress in Аstron. and Aeron.. 1993. V. 154. P. 278-290. 24. Boiko V.M., Lotov V.V., Papyrin A.N., Poplavski S.V. Methods of fast-acting laser visualization and its application to study nonstationary processes in gas-particles mixture // Inernt. Conf. on Methods of Aerophysical Research: Proceed. Pt. I / Ed. A.M. Kharitonov. Novosibirsk: 1994. P. 43-46. 25. Boiko V.M., Kiselyov V.P., Kiselyov S.P., Papyrin A.N., Fomin V.M., Poplavski S.V. On Gas Parameters Profiles at Nonstationary Shock Wave Interaction with Dusty Cloud // 6-th ICDE: Proceed. Shenyang, China. 1994. P. 336-340. 26. Boiko V.M., Poplavski S.V. On the effect of particles concentration on acceleration of a dusty cloud behind the shock wave // 7-th Intern. Colloquium on Dust Explosions: Proceed. Bergen, Norway.1996. P. 2.44-2.49. 27. Boiko V.M., Gilyov V.M., Ocheretny S.G., Poplavski S.V. Software complex for velocity field measurement on the basis of multiframe shadow pictures of twophase flow // Int. Conf. on Methods of Aerophysical Research: Proceed. Pt. III / Ed. A.M. Kharitonov. Novosibirsk: 1998. P. 78-83. 28. Boiko V.M., Poplavski S.V. On the phases interaction in nonequilibrium two-phase flow behind the shock wave // Annual Scient. Conf. GAMM99, 1999, Metz, France. Book of Abstr. University of Metz. P.124. 29. Бойко В.М., Поплавский С.В. Аномальное воспламенение порошков алюминия в ударных волнах // Всерос. семинар Динамика многофазных сред: Труды. Новосибирск, 2000. С. 18-26. 30. Бойко В.М., Клинков К.В., Поплавский С.В. Исследование волнового взаимодействия системы сфер за ударной волной // Междунар. Семинар Течения газа и плазмы в соплах, струях и следах, Санкт-Петербург, 2000. С.129-130. 31. Boiko V.M., Klinkov K.V., Poplavski S.V. Formation of a collective bow shock wave ahead of a system of sperical bodies // Proc. ICMAR. Pt II - Novosibirsk: Publishing House SB RAS, 2000, p. 25-30. 32. Boiko V.M., Pickalov V.V., Chugunova N.V., Poplavski S.V. Determination of the gas parameters in nonrelaxing two-phase flow on dynamics of admixture particles // Int. Conf. on Methods of Aerophysical Research: Proceed. Pt. II / Ed. A.M. Kharitonov. Novosibirsk: 2000. P. 31-36. 33. Boiko V.M., Klinkov K.V., Poplavski S.V. Wave Interaction of Transverse system of spherical bodies in the flow // Abstr. GAMM 2001 Birkhauser Verlag AG, Journal Subscription Department. P.110. 34. Поплавский C.В., Бойко В.М., Пикалов В.В., Чугунова Н.В. Новое определение коэффициента аэродинамического сопротивления тела // Модели и методы аэродинамики: Материалы I и II Междунар. школы-семинара 2002. С.4951. 35. Boiko V.M., Poplavski S.V. Ignition of aluminum powders in shock waves // IV Pacific Intern. Conf. on Aerospace Science and Technology (PICAST-4). Taiwan, Kaohsiung: Proceed. National Cheng Kung University, 2001. P. 365-369. 36. Поплавский C.В., Бойко В.М., Пикалов В.В., Чугунова Н.В. Определение скорости газа в нерелаксированном двухфазном потоке за ударной волной по динамике частиц // Оптические методы исследования потоков: Труды VI Междун. Научно-технич. Конф. - М.: Издательство МЭИ, 2001. С. 42-45. 37. Бойко В.М., Поплавский С.В. Воспламенение газовзвесей конденсированных углеводородных топлив в ударных волнах. // VIII Всерос. съезд по теоретической и прикладной механике: Аннот. докладов. Екатеринбург, УрО РАН, 2001. C.108. 38. Boiko V.M., Klinkov K.V., Poplavski S.V. On a mechanism of intraphase interaction in non-relaxing two-phase flow // Int. Conf. on Methods of Aerophysical Research: Proceed. Pt. II / Ed. A.M. Kharitonov. Novosibirsk: 2002. P. 24-27. 39. Boiko V.M., Klinkov K.V., Poplavski S.V. Intraphase interaction in two-phase flow by way of turbulized particle trails // Advances in Turbulence IX: Proc. of the 9-th European Turbulence Conference Southampton, U.K., 2002. P. 524-540. Поплавский С.В. Релаксационные процессы за ударными волнами в газовзвеси несферических частиц пыли // Всерос. конференция Аэродинамика и газовая динамика XXI веке: Тез. Докладов. Москва, МГУ им. Ломоносова: 2003. С. 103-104. 41. Boiko V.M., Poplavski S.V. Dynamics of irregularly shaped bodies in a flow behind a shock wave // 5-th Euromech Fluid Mechanics Conf.: Book of Abstracts. Toulouse France. 2003. P. 26. 42. Boiko V.M., Poplavski S.V. Method of drag coefficient determination of a body by dynamics in a flow behind incident shock wave // Int. Conf. on Methods of Aerophysical Research: Proceed. Pt. I / Ed. A.M. Kharitonov. Novosibirsk: 2004. P. 46-51. 43. Бойко В.М., Поплавский С.В. Cкоростная релаксация частиц и капель при внезапном попадании в поток // XXI Всерос. семинар Струйные, отрывные и нестационарные течения: Тез. Докладов. Новосибирск: Параллель, 2007. C. 40-41. 44. Бойко В.М., Поплавский С.В. Коллективные эффекты взаимодействия частиц в сверхзвуковом двухфазном потоке // XXI Всерос. семинар Струйные, отрывные и нестационарные течения: Тез. Докладов. Новосибирск: Параллель, 2007. C. 42-43. 45. Поплавский С.В. Формирование двухфазной смеси в потоке, скользящем над слоем сыпучего материала // XXI Всерос. семинар Струйные, отрывные и нестационарные течения: Тез. Докладов. Новосибирск: Параллель, 2007. C. 168-169. 46. Boiko V.M., Poplavski S.V., Zapryagaeva E.V., Yadrova I.A. Experimental investigation of drop breakup in a flow behind a shock wave in the sheet stripping mode. // Int. Conf. on Methods of Aerophysical Research: Proceed. Pt. II / Ed. V.M. Fomin. Novosibirsk: Parallel. 2008. P. 8-10. 47. Poplavski S.V. On granular bed lifting behind shock wave by mechanism of the particles collisional interaction // Int. Conf. on Methods of Aerophysical Research: Proceed. Pt. II / Ed. V.M. Fomin. Novosibirsk: Parallel. 2008. P. 26-27. 48. Boiko V.M., Poplavski S.V. On the drop dynamic at an early stage of the velocity relaxation in shock wave // 7-th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (ExHFT-7). Krakow, Poland. 2009. P. 82. 49. Poplavski S.V. Granular bed lifting in shock wave by the mechanism of intraphase interaction of particles // 7-th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (ExHFT-7). Krakow, Poland. 2009. P. 81. 50. Бойко В.М., Поплавский С.В. Экспериментальное исследование физических особенностей вторичного аэродинамического дробления капель жидкости в сверхзвуковых двухфазных струях // XXII юбилейный семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям. Санкт-Петербург. 2010. C.155-157. 51. Поплавский С.В. Динамика частиц и капель в потоке за проходящей ударной волной // Proc. XV Int. Conference on the Methods of Aerophysical Research. 2010. Novosibirsk, Russia, Part II, pp.207-208. 52. Бойко В.М., Поплавский С.В. Обтекание капли в потоке за ударной волной в условиях деформации и массоуноса // Int. Conf. on Methods of Aerophysical Research: Proceed. Pt. I / Ed. V.M. Fomin. Novosibirsk: Parallel. P. 51-52. 53. Бойко В.М., Поплавский С.В. Экспериментальное исследование срывных типов разрушения капли в ударных волнах // Int. Conf. on Methods of Aerophysical Research: Proceed. Pt. I / Ed. V.M. Fomin. Novosibirsk: Parallel. P. 53-54. 54. Fedorov A.V., Shulgin A.V., Poplavski S.V. Motion of a Particle Behind the Shock Wave Front // 8-th ISHPMIE: Proceed. Yokohama, Japan. 2010. No. ISH-018. P. 1-11. 55. Бойко В.М., Поплавский С.В. О срывных типах дробления капель в ударных волнах // Проблемы и достижения прикладной математики и механики. Сб. науч. трудов к 70-летию академика В.М. Фомина: Новосибирск, Параллель. 2010. С. 9-16. Ответственный за выпуск С.В. Поплавский Подписано в печать 29.07.20Формат бумаги 60 84/16, Усл. печ. л. 2.0, Уч.-изд. л. 2.0, Тираж 150 экз., Заказ № Отпечатано в типографии ООО "Параллель" 630090, Новосибирск, Институтская, 4/
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разное