Приборы и техника эксперимента, 2019, № 1, стр. 117-122

ВВЕДЕНИЕ

Колебания расхода потока газа [1] или парогазовой струи [2] могут существенно влиять на гидродинамические и тепловые процессы в двигателях, энергетических установках, системах транспортировки и распределения жидких и газообразных энергоносителей, а также в других технических устройствах, работа которых связана с движением сред. Пульсирующие воздушные потоки используют для закалки деталей из металлических материалов [3].

Один из перспективных методов реализации пульсационного течения – использование прерывистой теплой струи, направленной перпендикулярно стационарному горизонтальному сносящему потоку. Важными примерами струй в поперечном потоке являются топливные форсунки, дымовые трубы, газоструйное охлаждение пленки на лопатках турбин [4, 5].

В данной работе описана экспериментальная установка, предназначенная для исследования взаимодействия пульсирующей турбулентной нагретой струи воздуха с телом (модельным объектом), помещенным в сносящий поток холодного воздуха. Кроме того, установка позволяет измерять мгновенные локальные параметры течения и изучать процессы теплообмена. Приведен пример результатов исследований импульсного нагрева вертикальной струей пульсирующего воздуха тонкой пластинки из пироэлектрика в горизонтальном потоке воздуха. Пульсации температуры позволяют использовать пироэлектрик в качестве преобразователя тепловой энергии в электрическую.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Схема экспериментальной установки для исследования пульсирующих турбулентных течений представлена на рис. 1. Установка состоит из трех основных частей: аэродинамического канала (I), блока нагревателя и пульсатора (II) и системы подведения воздуха (III). Габаритные размеры установки 3.4 × 1.6 × 0.6 м.

Рис. 1.

Схема экспериментальной установки. 1 – вентилятор; 2 – камера формирования профиля; 3 – рабочий участок; 4 – диффузор; 5 – нагреватель; 6 – демпфер; 7 – пульсатор; 8 – трубка подачи воздуха; 9 – держатель; 10 – редуктор; 11 – фильтр; 12 – расходомер; 13 – блок управления вентилятором; 14 – блок управления расходом; 15 – блок управления нагревателем; 16 – блок управления двигателем пульсатора.

Аэродинамический канал I содержит осевой вентилятор 1 (EL 315 D2 01), который подает воздух в канал, камеру формирования ударного профиля скорости 2 с хонейкомбом и конфузором, рабочий участок 3, диффузор и вытяжную систему 4. Основными элементами блока II, куда входят также нагреватель струи и пульсатор, являются омический нагреватель 5, демпфер пульсаций 6 с металлической сеткой внутри и дисковый пульсатор 7. После пульсатора установлена трубка 8, через которую горячий воздух подается в рабочий участок. Держатель 9 позволяет удерживать и перемещать модельное тело. Подводящая часть III установки состоит из трубопровода, по которому воздух из напорной воздушной линии через редуктор 10  проходит через фильтр мелкой очистки 11 (5 мкм) и контроллер-расходомер 12.

Рабочий участок установки, изготовленный из оргстекла толщиной 10 мм, имеет форму прямоугольного параллелепипеда квадратным поперечным внутренним сечением 0.125 × 0.125 м² и длиной 1.0 м. Управляющий блок 13 позволяет плавно менять вращение вентилятора, обеспечивая поддержание средней скорости ядра потока в рабочем участке в диапазоне u = 0.5–30 м/с. Указанный диапазон изменения скорости потока выбирался таким образом, чтобы, с одной стороны, реализовать турбулентные режимы течения в рабочем участке установки, а с другой – обеспечить приемлемые условия для визуальных наблюдений и видеосъемки структуры исследуемых течений.

Таким образом, в конструкции установки была реализована схема организации нестационарного теплообмена между основным воздушным потоком и струей пульсирующего нагретого воздуха. Одним из важнейших элементов установки является пульсатор. На рис. 2 представлена схема пульсационного блока. Привод пульсатора осуществляется электродвигателем 6 постоянного тока ПЯ-250Ф номинальной мощностью 360 Вт. Частоту пульсаций можно варьировать в широких пределах в соответствии со скоростью вращения вала электродвигателя, соединенного с наружным источником питания Gwinstek SPS-3610 (16 на рис. 1).

Рис. 2.

Пульсационный блок: а – внешний вид; б – пульсатор в разрезе (высота – 115 мм, диаметр – 128 мм). 1 – выходная трубка; 2 – пульсатор; 3 – соединительная муфта; 4 – входная трубка; 5 – силовая рама; 6 – электродвигатель; 7 – неподвижный корпус; 8 – воздушный тракт; 9 – ось; 10 – подшипники; 11 – диск и схема отверстий.

В состав блока пульсации входит пластинчатый клапан – диск 11 (рис. 2) с четырьмя отверстиями, который расположен на оси 9 внутри неподвижного корпуса 7. Стальной диск (∅95 и толщиной 5.8 мм), прерывающий поток, имеет четыре радиально расположенных щелевых отверстия шириной 10 мм. Диск свободно вращается с гарантированным зазором.

При вращении диска относительно корпуса с определенной частотой воздушный поток, который проходит через пульсатор, периодически перекрывается. Ось 9 установлена на двух шарикоподшипниках 10 закрытого типа и зафиксирована плотной посадкой.

На рис. 3 представлены результаты расчета изменения площади сечения отверстия входной трубки внутренним диаметром 10 мм при вращении диска пульсатора. Рассматривается случай, когда диск поворачивается на 90°. Периодические изменения площади сечения трубки при вращении диска формируют струю с прерывистым расходом.

Рис. 3.

Зависимость площади сечения выходного отверстия трубки пульсатора от угла поворота диска.

Весь тракт подготовки и подачи горячего воздуха для снижения тепловых потерь при подаче струи в рабочий канал установки снаружи покрыт теплоизолирующим слоем минеральной ваты.

СНОСЯЩИЙ ОСНОВНОЙ ПОТОК

Для измерения скорости основного сносящего потока в рабочем участке аэродинамического канала устанавливали анемометр. Использовалась технология точечных измерений HWA. Предварительные измерения проводились в пустом канале в нескольких сечениях на расстоянии 0.4–0.7 м от начала рабочего участка. Получено, что профиль скоростей в этой области не изменяется. Более полные измерения были проведены на расстоянии 0.5 м от входа в рабочий участок и определяли распределение (профиль) скорости по высоте канала от 0 до 70 мм для некоторых заданных режимов потока. На каждой фиксированной высоте с интервалом 0.5 мм регистрировали массив мгновенных скоростей. Далее эти данные обрабатывали для оценки средних значений скорости (по времени) на каждой высоте и соответствующие отклонения от среднего. По результатам экспериментов определялась средняя скорость потока воздуха и ее среднеквадратичные пульсации.

На рис. 4 показаны профили скоростей основного сносящего потока, числа Рейнольдса для которых соответствуют значениям Re_D = 1.9 ⋅ 10⁴ (1), 4 ⋅ 10⁴ (2), 8.2 ⋅ 10⁴ (3), где D – эквивалентный диаметр по сечению рабочего участка канала.

Рис. 4.

Профили скорости сносящего основного потока в рабочем участке установки при различных значениях расхода: u = 2.3 м/с (1), 4.8 м/с (2), 9.8 м/с (3).

Изучение формы профиля скорости сносящего основного потока при стационарном режиме течения показало наличие ядра потока, движущегося с постоянной скоростью u, и пограничного слоя шириной порядка 10–15 мм на стенках и дне рабочего канала. При этом степень турбулентности продольной составляющей скорости в ядре потока в центральной части рабочего участка установки составляла Tu ≈ 0.5%.

СТРУЯ В ПОПЕРЕЧНОМ ПОТОКЕ

Параметры пульсирующего нагретого струйного течения зависят от расхода газа и температуры потока воздуха, проходящего через нагреватель газа и пульсатор. Расходомер-контроллер (рис. 1) позволяет устанавливать и контролировать скорость расхода газа до 600 л/мин. Мощность, рассеиваемую на нагревателе (до 2 кВт), можно плавно регулировать, изменяя электрическое напряжение на нагревательном элементе (15, рис. 1). Нагретый воздух проходит через демпфер объемом 1 л и попадает в пульсатор, после которого формируется струя, направляемая перпендикулярно сносящему потоку. Подводящий канал пульсирующей струи изготовлен из стальной трубы 8 круглого сечения длиной 0.8 м и внутренним диаметром d = 19 мм. Температура струи на выходе измерялась хромель-алюмелевой термопарой и не превышала обычно 135°С.

Для визуализации формы струи в поперечном потоке использовали капли водного раствора глицерина диаметром до 5 мкм. Для видеосъемки картины течения в этих экспериментах использовали монохромную камеру Canon EOS1100D, для создания светового ножа использовали непрерывный лазер LSR532H-2.5W-LN. Камера позволяла проводить съемку со скоростью 30 кадров/с.

Расход “холодной” струи в этих измерениях Q = 80 и 120 л/мин, что соответствовало средним скоростям $\text{v}$ ≈ 4.7 м/с и 7.0 м/с. Числа Рейнольдса по диаметру трубы составляли Re_d ≈ 5.9 ⋅ 10³ и 8.8 ⋅ 10³ соответственно. Измерения проводили при частоте пульсаций расхода струи f = 3, 6, 10 или 20 Гц. Скорость сносящего основного потока составляла u ≈ 3, 5, 7 м/с. По вертикально прямой, проведенной через правый край трубки, определяли высоту поднятия струи при максимальном импульсе в струе (точка по левому краю струи на рис. 5а). При перекрытии струи в пульсаторе расход газа был равен нулю, что фиксировалось на всех видео.

Рис. 5.

Форма струи пульсирующего поперечного потока: а – схема измерений высоты подъема h₀ струи относительно сопла диаметром d (вертикальная плоскость проходит через центр струи); б – высота подъема струи при различной частоте пульсаций. Стрелкой показано направление движения основного потока.

На рис. 5б показана зависимость высоты поднятия струи h₀ от отношения скоростей струи и потока $\text{v}$/u при различных значениях частоты пульсаций струи  f. Для случая  f = 0 Гц результаты наших измерений в интервале $\text{v}$/u ≈ 0.6–2.3 качественно близки к значениям h₀, наблюдавшимся при пульсации потока, и могут быть сопоставлены с наблюдениями в работе [6]. Результаты наших измерений показали, что пульсирующая струя сильнее проникает в сносящий поток по сравнению со стационарной струей, однако при повышении частоты пульсаций от 6 до 20 Гц высота подъема слабо зависит от частоты. Подобные наблюдения в работе [7] показали, что при низких частотах пульсаций перпендикулярной струи глубина проникновения в сносящий основной поток проходит через максимум и превосходит высоту подъема стационарного потока при  f = 0 Гц.

Были выполнены измерения средней температуры в рабочем участке для случая стационарной нагретой струи в сносящем основном потоке в зависимости от скорости потока. Измерения проводили по вертикали, проведенной через правый край трубки (см. рис. 5а). Результаты измерений представлены на рис. 6. Показаны графики температурных профилей в зависимости от удаления от среза сопла струи при различных скоростях сносящего потока u. При этом средняя скороcть струи $\text{v}$ ≈ 4.7 м/с (расход Q = 80 л/мин поддерживался постоянным), а температура на выходе T = = 134°С. Температура сносящего потока составляла Т₀ = 22.7°С.

Рис. 6.

Изменение температуры в потоке по высоте в зависимости от скорости u: 1 – 3 м/с, 2 – 5 м/с, 3 – 7 м/с.

Таким образом, в работе были определены нижние границы параметров распространения перпендикулярной струи в сносящем потоке, которые указывают области использования разработанной схемы взаимодействия течений. При пульсирующих режимах перпендикулярная струя поднимается выше, чем без пульсаций, что видно из рис. 5б. При расходе струи Q = 80 л/мин, что соответствует скорости $v$ ≈ 4.7 м/с, начиная с высоты 10–15 мм при скорости потока u ≤ 5 м/с данная экспериментальная установка позволяет определить область наибольших температурных пульсаций.

ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЛАСТИНКА В СКРЕЩЕННЫХ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКАХ

Пироэлектрики позволяют преобразовывать колебания температуры в колебания электрического потенциала на обкладках пластины из пироэлектрического материала [8]. В первом приближении разность потенциалов пропорциональна изменению температуры пластины, поэтому, регистрируя вариации электрического напряжения на обкладках пластинки малоинерционного пироэлектрического датчика, можно судить об амплитуде и частоте колебаний температуры окружающей среды.

Для изучения процессов нестационарного теплообмена на границе модельный объект–газ в рабочем участке установки была помещена бронзовая пластина ∅27 мм и толщиной 200 мкм, на поверхность которой была нанесена пленка пироэлектрика из ЦТС (цирконат-титанат свинца) керамики толщиной 220 мкм и диаметром 20 мм. Пластину установили на высоте 30 мм от нижней стенки рабочего участка. Положение пластинки в канале показано на рис. 7а. Нагретая пульсирующая струя ориентирована перпендикулярно основному горизонтальному потоку, направление движения которого показано стрелкой. Для примера на рис. 7б приведена осциллограмма зависимости регистрируемого напряжения U от времени при частоте пульсаций нагретого потока  f = 10 Гц, скорости потока $v$ = 4.7 м/с и температуре T = = 134°C; скорость основного потока в рабочем участке u = 3 м/с. Измерения напряжения проводились цифровым осциллографом ADS-2061 MV с входным сопротивлением 10 МОм. Как следует из этого рисунка, период колебаний температуры пластины пироэлектрика совпадает с периодом пульсаций нагретого потока газа.

Рис. 7.

Размещение пироэлектрической пластины в рабочем участке (а) и зависимость сигнала пироэлектрика от времени при частоте пульсаций газового потока 10 Гц (б).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано, что данная установка может быть использована для пульсационного нагрева тел и эффективного перемешивания газов (жидкостей) при взаимодействии скрещенных турбулентных потоков. Дисковый клапан-пульсатор, в котором используется вращающийся диск с профилированными отверстиями, позволяет создавать пульсации расхода вертикальной струи с полным перекрытием в широком диапазоне частот. Показана также возможность использования установки, в зависимости от решаемых задач, для четырех режимов работы перпендикулярной струи: изотермическая струя; газовая струя, нагретая до заданной температуры; пульсирующая изотермическая и нагретая пульсирующая струя. Продемонстрирована возможность взаимодействия перпендикулярной пульсирующей нагретой струи со сносящим основным потоком для пульсационного нагрева тонкой пластинки в диапазоне температур до 135°С.

Показана возможность использования пульсирующей нагретой струи в поперечном потоке для исследования преобразования низкопотенциального тепла в электричество с помощью пироэлектрического генератора в зависимости от частоты пульсаций температуры.

Исследование выполнено при поддержке РНФ (грант № 16-19-00119).