Теплофизика высоких температур, 2019, T. 57, № 2, стр. 312-315

ВВЕДЕНИЕ

Очистка воздуха от взвешенных в ней частиц часто рекомендуется в качестве отдельной или комплексной меры по контролю охраны окружающей среды. Одним из перспективных методов является акустическая коагуляция и осаждение дисперсных сред [1], что позволяет значительно повысить как качество улавливания пыли и дыма, так и энергоэффективность используемых для этого ресурсов. Изучение волновых процессов в дисперсных средах представляет собой одну из актуальных проблем механики. В [2] приведены основные теоретические модели волновой динамики многофазных сред и ряд результатов исследований в этой области. Основы теории нелинейных колебаний многофазных систем и волновых технологий представлены в [3]. Двухфазные течения с твердыми частицами, каплями и пузырями, а также механизмы образования областей повышенной концентрации дисперсной фазы в таких течениях изучены в [4‒6]. В работах [7‒14] экспериментально исследована динамика различных газовзвесей при нелинейных колебаниях в разных режимах вблизи резонансных частот в закрытой трубе. Вблизи резонансной частоты наблюдается ускоренная коагуляция капель машинного масла [7] (с размером частиц 1‒10 мкм), капель олеиновой кислоты [8] (1‒10 мкм), частиц дыма [9] (0.3 мкм) и капель, получаемых из жидкости DEHS [10‒14] (0.83 мкм). Такой нелинейный эффект связан с вихреобразованием в среде.

В продолжение исследований [10‒14] в настоящей работе изучаются особенности осаждения частиц газовзвеси в виде табачного дыма при нелинейных колебаниях на фундаментальной частоте в режиме перехода к ударным волнам в закрытой трубе с визуализацией движения среды.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Эксперименты выполняются на установке, ранее использованной в исследованиях нелинейных колебаний мелкодисперсной газовзвеси [13, 14]. Основой установки является виброгенератор марки TIRAvib S 5220/LS с усилителем мощности BAA 1000-ET фирмы “Tira”. На стол виброгенератора закрепляется плоский поршень, который совершает колебания в цилиндре, соединенном с вертикальной кварцевой трубой длиной L = 0.938 м и радиусом R = 0.05 м. Выбор длины и диаметра трубы позволяет реализовать режим перехода к ударным волнам при малых амплитудах смещения поршня, которые допускают технические параметры используемого генератора колебаний. Пассивный конец трубы закрывается герметичной крышкой. Управление и контроль вибростендом осуществляется через компьютер посредством пьезоэлектрического IEPE-акселерометра марки 4513 фирмы “Bruel & Kjaer” и контроллера VR9500 фирмы “Vibration Research Corporation”. В качестве рабочей среды используется полидисперсная газовзвесь в виде табачного дыма. На рис. 1 представлено распределение частиц табачного дыма по геометрическому диаметру, которое фиксируется лазерным спектрометром LAP-320 фирмы “Topas”. Видно, что диаметр частиц лежит в пределах от 1 до 20 мкм. Давление среды измеряется пьезоэлектрическим датчиком давления модели 8530С-15 фирмы “Bruel & Kjaer”, сигнал с которого подается на трехканальный мостовой усилитель напряжения ENDEVCO модель 136 фирмы “Bruel & Kjaer” и далее регистрируется на цифровом осциллографе модели DSO 3062A фирмы “Agilent Technologies”. Видеосъемка процесса осаждения табачного дыма ведется камерой Canon EOS 650D с объективом EF-S 18-55mm IS II Black, которая располагается на штативе, перпендикулярно трубе на расстоянии 0.5 м. Для получения четкой и контрастной картины за трубой устанавливается черный экран. В качестве измерительного фотоприемника светопроницаемости дыма используется люксметр марки АТТ-1505 фирмы “Актаком”. Источник света и оптическая система для формирования светового потока состоят из белого светодиода марки BL-L813 с дистанционным управлением и фокусирующей линзы. Свет проходит перпендикулярно сквозь дым в трубе и попадает в центр светочувствительного датчика люксметра. Данные с люксметра подаются на компьютер через интерфейс RS-232 и обрабатываются программой ATT-1006.

Когда вынужденная частота смещений поршня совпадает с одной из собственных частот колебаний среды ${{\nu }_{n}} = n{{\nu }_{0}}$ (n = 1, 2, 3, …) в ограниченном объеме, имеет место резонанс с увеличением амплитуды колебаний. Собственные частоты зависят от формы и размера ограниченного объема и находятся из волнового уравнения. Первая (n = 1) собственная (фундаментальная) частота определяется выражением ${{\nu }_{0}} = {{{{c}_{0}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{c}_{0}}} {2L\left( {1 + \beta {\text{'}}} \right)}}} \right. \kern-0em} {2L\left( {1 + \beta {\text{'}}} \right)}}$, где $\beta {\text{'}} = \left( {{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {R\sqrt 2 }}} \right. \kern-0em} {R\sqrt 2 }}} \right)\left[ {1 + {{\left( {\kappa - 1} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {\kappa - 1} \right)} {\sqrt {\Pr } }}} \right. \kern-0em} {\sqrt {\Pr } }}} \right]\sqrt {{\mu \mathord{\left/ {\vphantom {\mu {{{\rho }_{0}}2\pi {{\nu }_{0}}}}} \right. \kern-0em} {{{\rho }_{0}}2\pi {{\nu }_{0}}}}} $ – коэффициент диссипации, μ – коэффициент динамической вязкости, ρ₀ – плотность невозмущенной среды, Pr – число Прандтля, с₀ – скорость звука, κ – показатель адиабаты. Для условий данного исследования ν₀ = 182 Гц. Эксперименты выполняются на указанной частоте для различных амплитуд смещения поршня l = 0.15, 0.25, 0.375 мм и при разной высоте h заполнения трубы табачным дымом: полностью h = 0.938 м, на три четверти h = 0.703 м, наполовину h = 0.469 м и на четверть h = 0.235 м. Начальная числовая концентрация N₀ частиц табачного дыма во всех случаях равна 7 × × 10⁸ см^–3. После заполнения трубы дымом записывается начальное показание люксметра Ф₁. Далее с запуском колебаний концентрация газовзвеси начинает уменьшаться и соответственно меняются показания люксметра Ф_t, которые фиксируются на компьютере. Эксперимент проводится до полного просветления дыма, и определяется показание люксметра Ф₀, когда труба заполнена воздухом. Для расчета числовой концентрации аэрозоля из полученных данных используется соотношение [11]:

В экспериментах одновременно с записью показаний люксметра ведется видеосъемка процесса осаждения табачного дыма. Аналогичные измерения проводятся в отсутствие колебаний для естественного осаждения табачного дыма.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2а представлены зависимости числовой концентрации частиц табачного дыма от времени при разной высоте заполнения им трубы. Во всех случаях концентрация дыма монотонно уменьшается. Экспериментальные данные можно аппроксимировать зависимостью

где постоянные коэффициенты изменяются в следующих пределах: 9 < A₀ < 13, –5.7 < A₁ < –1.7, –0.115 < K < –0.088. Из рис. 2а следует, что со временем происходит уменьшение числовой концентрации табачного дыма, связанное с процессом коагуляции и осаждения его частиц на поршне и на стенках трубы. На рис. 2б дана зависимость числовой концентрации частиц табачного дыма от времени при естественном осаждении. Отметим, что, хотя данные также аппроксимируются экспонентой (2), коэффициенты имеют значения A₀ = –3.4, A₁ = 10.3, K = 4 × 10^–4, отличные от полученных при возбуждении колебаний. Также видно, что наличие колебаний приводит к ускорению коагуляции и осаждения частиц в сотни раз.

По полученным данным определяется время осаждения частиц табачного дыма при различной высоте заполнения трубы для разных амплитуд смещения поршня на фундаментальной частоте колебаний (рис. 3). Наблюдается немонотонный характер зависимости времени осаждения дыма от высоты заполнения трубы для всех исследуемых амплитуд смещения поршня. Минимальное время во всех случаях соответствует заполнению трубы наполовину, чуть выше – заполнению трубы на четверть и три четверти, и максимальное – при полностью заполненной трубе. Так, например, для амплитуды смещения поршня l = 0.375 мм указанные времена равны 8, 10, 13 и 15 с соответственно.

Известно, что при колебаниях газа в закрытой трубе в резонансе образуется пара тороидальных вихрей в верхней и нижней половинах трубы соответственно [15]. Частицы табачного дыма участвуют в вихревом движении и через некоторое время осаждаются на поршне и на стенках трубы. Визуализация процесса показывает, что при заполнении трубы на четверть и три четверти происходит выброс частиц дыма в свободную от него часть трубы. В трубе, заполненной наполовину, на процесс коагуляции и осаждения дыма оказывает влияние только вихрь в нижней половине трубы, вследствие чего не возникают выбросы в свободную часть трубы. Когда труба заполнена полностью, на табачный дым действуют оба вихря в верхней и в нижней половинах трубы. При этом скорость коагуляции и осаждения дыма уменьшается, что связано с увеличением времени возмущения всего дыма, находящегося в данном объеме. Также можно отметить, что изменение амплитуды смещения поршня оказывает незначительное влияние на время осаждения дыма, частично заполняющего трубу. При увеличении амплитуды в 1.5 раза время осаждения уменьшается на 2 с, тогда как в полностью заполненной трубе при таких же изменениях амплитуды время осаждения изменяется практически вдвое.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате экспериментальных исследований нелинейных колебаний частиц табачного дыма в закрытой трубе выявлено уменьшение их числовой концентрации со временем на фундаментальной частоте. Показано, что наличие колебаний в режиме перехода к ударным волнам ускоряет процесс коагуляции и осаждения табачного дыма в сотни раз по сравнению с естественным осаждением. Обнаружена немонотонная зависимость времени коагуляции и осаждения табачного дыма от высоты заполнения им трубы с минимальным значением при заполнении трубы наполовину. Показано, что изменение амплитуды смещения поршня в исследуемом диапазоне оказывает незначительное влияние на время коагуляции и осаждения табачного дыма, частично заполняющего трубу, и существенное влияние при заполнении трубы полностью.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 15-11-10016).