Теплофизика высоких температур, 2022, T. 60, № 1, стр. 146-148

ВВЕДЕНИЕ

Современные технические устройства, применяемые во многих областях промышленности, имеют различные размеры и сложную геометрию. Проходящие в них технологические процессы имеют “волновую природу” и сопровождаются различными нелинейными эффектами: ударными волнами, вихревыми движениями, фокусировкой дисперсной фазы [1]. Нелинейные колебания в акустике подробно рассмотрены в [2, 3], динамика многофазных сред при волновом воздействии ‒ в [4]. Для интенсификации нелинейных колебаний газа может быть использована система, содержащая трубу переменного сечения, например конусную, или c резким переходом [5, 6]. Численные исследования колебаний газа в резонаторах цилиндрической формы с медленно изменяющимся сечением показали, что также происходит искажение формы волны и сдвиг резонансной частоты [7]. Интенсивное воздействие волнового поля на однородные и многофазные среды при достаточно слабых возмущениях в ограниченных объемах позволяет решать актуальную задачу акустической коагуляции и осаждения аэрозолей [8], в частности, в обрабатывающей промышленности [9] или в системах фильтрации и предварительного кондиционирования [10]. Проблемы и особенности изучения двухфазных потоков и возможности их использования для решения различных прикладных задач подробно рассматриваются в обзорах [11, 12]. Целью данной работы является исследование процесса акустического осаждения аэрозоля в закрытой трубе с изменяющимся сечением.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Эксперименты проведены на установке, принципиальная схема которой показана на рис. 1. С помощью устройств, входящих в данную систему, выполнялось возбуждение колебаний вибростендом 1 ES-1-150 (Dongling Vibration) в вертикальной трубе, генерация мелкодисперсного аэрозоля аэрозольным генератором 3 ATM 225 (TOPAS) и определялись изменения концентрации частиц и давления среды. В качестве рабочей среды использовался аэрозоль DEHS. Распределение капель по геометрическому диаметру определялось лазерным спектрометром LAP-320 (TOPAS), диаметр преимущественно был равен 0.863 мкм, что позволяло рассматривать данный аэрозоль как монодисперсную систему [13]. Колебания среды создавались посредством поршня 10 радиусом R₁ = 0.05 м, колеблющимся в цилиндре 2 высотой L₁ = 0.038 м с аналогичным радиусом R₁, который соединялся со стеклянной трубой 4 длиной L₀ = 1.09 м и радиусом R₀ = 0.018 м. Труба с изменяющимся сечением в настоящих экспериментах использовалась для интенсификации колебаний среды в трубе для сравнения с результатами в однородной трубе при тех же условиях [14]. Изменение светопроницаемости аэрозоля в трубе вследствие уменьшения его концентрации при осаждении на стенках фиксировалось при помощи системы, состоящей из источника света 6 (лазер SYD1230 с длиной волны 650 нм и мощностью 5 мВт) и цифрового люксметра 5 марки АТТ-1505 (Актаком) с диапазоном измерения до 50 000 люкс и временем замера 0.4 с. Луч света направлялся перпендикулярно по центру трубы, проходил через аэрозоль и попадал на датчик люксметра. Давление среды вблизи поршня измерялось через трехканальный мостовой усилитель напряжения 8 ENDEVCO модели 136 (Bruel & Kjaer) с помощью датчика 9 модели 8530С-15 (Bruel & Kjaer) и записывалось осциллографом 7 DSO 3062A (Agilent Technologies).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Эксперименты для определения режима колебаний выполнены при различных числах Рейнольдса, которые для труб круглого сечения определяются по формуле

где ${{R}_{0}}$ – гидравлический диаметр, равный внутреннему диаметру трубы; ν – кинематическая вязкость среды 1.51 × 10^–5 м²/с; скорость среды U, задаваемая поршнем в трубе, определяется зависимостью между смещением поршня l и частотой смещения f:

Экспериментально наблюдаемая частота при первом резонансе имеет значение f₁ = 128 Гц.

По записанным осциллограммам были построены зависимости безразмерного размаха колебаний давления среды $\Delta \bar {p} = \Delta p{\text{/}}{{p}_{0}}$ (p₀ – атмосферное давление, $\Delta p = {{p}_{2}} - {{p}_{1}}$, ${{p}_{2}}$ и ${{p}_{1}}$ – максимальное и минимальное значения давления за период колебаний поршня) от числа Рейнольдса Re вблизи резонанса (рис. 2а) при амплитуде возбуждения l = 0.5 мм. Видно, что для всех исследуемых значений форма волны давления газа сохраняет непрерывный вид и наблюдается слабая деформация формы волны (рис. 2б). С приближением к резонансу размах колебаний давления газа увеличивается. Величина Re меняется от 95 до 970, что соответствует ламинарным потокам в трубе вблизи резонанса. Полученные результаты о влиянии колебания поршня на среду в трубе аппроксимировались степенной функцией

На резонансной частоте A = 0.007 n = 0.97, что соответствует безударно-волновому режиму колебаний и практически совпадает со значением показателя n = 0.91 в узкой (радиусом R₀) однородной трубе, тогда как в широкой (радиусом R₁) однородной трубе, где поглощение на стенках меньше, данный показатель имеет другое значение n = 0.75, что соответствует переходному режиму. Полученные значения размаха колебаний давления среды на резонансной частоте в трубе с изменяющимся сечением в 1.5 раза больше, чем для однородной трубы при одинаковой интенсивности колебаний [14]. Однако по сравнению с более широкой однородной трубой значение давления в 0.5 раза меньше [15], что, как уже упоминалось, связано с другим режимом колебаний.

Перейдем к результатам по исследованию осаждения аэрозоля. Количественные значения для осаждения аэрозоля в трубе представлены на рис. 3. Для всех полученных зависимостей характерно монотонное уменьшение концентрации капель аэрозоля со временем от начального значения N₀ = 8.5 × 10⁵ 1/см³ до значения, соответствующего полному осаждению капель на стенки трубы. При отсутствии колебаний характерное время осаждения аэрозоля равно 600 с. Тогда как при колебаниях происходит ускоренное осаждение капель аэрозоля: вблизи резонанса (на частотах 124 и 132 Гц) осаждение заканчивается за 58 и 64 с соответственно, на резонансной частоте (128 Гц) этот процесс завершается еще быстрее – за 50 с. Это связано с тем, что в условиях настоящих экспериментов при резонансе возникает два тороидальных вихря в верхней и нижней половинах трубы, которые вовлекают капли аэрозоля в движение, приводя к их слиянию и более быстрому осаждению на стенки трубы [13]. Для сравнения на резонансной частоте при такой же интенсивности колебаний процесс осаждения в однородной трубе аналогичного радиуса [14] происходит в 2.5 раза медленнее, а в широкой однородной трубе (с бόльшим в 2.7 раза радиусом) [15] в 1.5 раза медленнее, хотя в последнем случае давление имеет большее значение. Это свидетельствует о том, что колебания не оказывают первоочередного влияния на процесс осаждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате экспериментального исследования нелинейных колебаний аэрозоля в закрытой трубе в резонансном режиме показано, что наличие изменяющегося сечения позволяет интенсифицировать колебания среды, а соответственно, и осаждение капель аэрозоля на стенки. Выявлено уменьшение концентрации аэрозоля в трубе со временем на всех исследуемых частотах в 10–12 раз по сравнению с естественным осаждением.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-11-20070).