Теплофизика высоких температур, 2019, T. 57, № 3, стр. 431-436

ВВЕДЕНИЕ

В большинстве технических и технологических процессов исходной фазой, во многом определяющей эффективность установок и оборудования, является подача жидких и газовых сред в рабочее пространство установок с распылением форсунками. В частности, мелкодисперсное распыление жидкостей в замкнутом объеме – одно из приоритетных направлений в развитии энергетики. Поэтому управление этим процессом можно считать актуальной задачей для фундаментальной науки и практики при проектировании технологического оборудования.

Рассматриваемой проблематике посвящено довольно большое количество разнонаправленных работ. Так, в [1, 2] описываются экспериментальные установки и приводятся результаты исследований перегретых струй двуокиси углерода для совершенствования технологического процесса водоструйной резки металла. Показано, что использование перегретых струй двуокиси углерода и воды способствует более точной резке металла. В [3] проводились экспериментальные исследования интенсивности испарения воды при ее распылении при разных начальных температурах и давлениях. Авторами обнаружено, что давление впрыска приводит к лучшему распылению и испарению воды, а увеличение скорости впрыска и начальной температуры воды – к улучшению испарения. При этом следует отметить, что существуют исследования на основе математических моделей, описывающих процессы распыла перегретой жидкости. Так, в [4] развивается метод VOF для моделирования двухфазного и двухжидкостного течений в трехмерной постановке. В [5] представлены пилотные попытки моделирования процесса теплопередачи в жидкости, сопровождающегося испарением капель в результате распыла перегретых струй воды.

Можно выделить несколько работ, связанных с прикладными исследованиями использования распыла перегретой жидкости в тех или иных технологических процессах. В [6] представлены результаты экспериментальных исследований и математического моделирования характеристик испарения перегретых струй воды для повышения эффективности опреснения для малонаселенных островов и отдаленных районов. В [7] предлагаются оригинальные технологии по использованию распыла перегретой жидкости в технологических установках для пищевой промышленности. В свою очередь в [8] представлены результаты физического и численного моделирования распыла перегретого топлива в реактивных двигателях для самолетов. Показано, что давление струи топлива оказывает существенное влияние на газодинамические и тепломеханические характеристики распыла. Возможность применения распыла перегретых жидкостей в топливной системе поршневых двигателей внутреннего сгорания показана в [9]. В [10] экспериментально исследованы особенности теплообмена при распыле перегретых углеводородов с водными следами в струе. Широкий спектр применения распыла перегретой жидкости представлен в [11].

Можно выделить несколько работ, в которых проводится оценка влияния конфигурации распыливающего отверстия на характеристики струи. В [12, 13] представлены экспериментальные данные по распылу перегретой воды через расходящееся сопло и традиционное цилиндрическое сопло. Установлено, что такой распыл позволяет получать одномодальное распыление воды с диаметром капель около микрона. В [14] проведен сравнительный анализ распыла перегретой жидкости в атмосферу через цилиндрическую и щелевую насадки. В экспериментальных исследованиях [15–17] взрывного вскипания струй перегретой жидкости в атмосферу показано, что в теплофизических системах при фазовых переходах первого рода происходит скачкообразное изменение свойств распыливаемой жидкости: плотности, энтропии и др. В этих же работах установлено, что поведение интегральных характеристик струи сильно перегретой жидкости определяется кинетикой рождения пузырьков пара в условиях высоких пересыщений.

Анализ литературы показал, что определенные результаты в области мелкодисперсного распыливания жидкостей уже достигнуты, но все же остается много вопросов, связанных с особенностями конструктивных решений и сфер применения распыливающей аппаратуры. Так, например, в области поршневого двигателестроения существует перманентная проблема управления структурой (формой) струи топлива, впрыскиваемой в камеру сгорания переменного объема для достижения эффективного смесеобразования и последующего его сжигания [18, 19].

Анализ конструкций различных многодырчатых распылителей поршневых двигателей показал, что для дизелей широкое применение нашли прямоструйные форсунки с круглыми выходными отверстиями распылителей (рис. 1). Угол между осью распыливающего отверстия и плоскостью, примыкающей к нему, как правило, составляет 90°. Подобная конструкция сохраняется вне зависимости от типа топливной системы дизеля, расхода топлива и давления впрыска [20]. Предположительно изменение геометрии выходного отверстия распылителя может оказывать влияние на конфигурацию струи, поскольку в этом случае произойдет изменение поля давления у основания струи.

Рис. 1.

Традиционные многодырчатые распылители поршневых двигателей внутреннего сгорания в разрезе.

Помимо геометрии распыливающего отверстия, эффективным средством, оказывающим влияние на форму и структуру струи, является перегрев жидкости. Известно, что в струе перегретой воды наблюдаются частицы, имеющие размер менее 3 мкм [12, 13]. Уменьшение размеров капель и управление формой струи оказывает положительное влияние на мощность двигателя, расход топлив, токсичности отработавших газов и надежность его основных деталей и узлов.

Цель настоящего исследования состоит в установлении закономерностей влияния величины угла среза выходного отверстия канала на характеристики истекающих через него газа (воздуха) и жидкости. Для этого проведены экспериментальные исследования процесса стационарного горизонтального истечения нагретого воздуха и перегретой воды через насадки с каналами круглого поперечного сечения, имеющими разные углы среза выходного отверстия. Для определения степени влияния угла среза на процесс истечения воздуха использованы насадки с углами скоса α, равными 30°, 45° и 60° (рис. 2).

Рис. 2.

Общий вид распыливающего насадка.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТЕЧЕНИЯ НАГРЕТОГО ГАЗА ЧЕРЕЗ НАСАДКИ СО СРЕЗОМ ВЫХОДНОГО ОТВЕРСТИЯ

Исследования истечения нагретого воздуха проводились в помещении при нормальных условиях с использованием лабораторной установки, схема которой представлена на рис. 3.

Рис. 3.

Схема экспериментальной установки для исследования истечения нагретого воздуха.

Для визуализации процесса истечения использован метод термовизуализирующей съемки. Данный метод [21–23] заключается в размещении в потоке термовизуализирующей сетки 1 из полимерных нитей и основан на анализе полей дисперсии температуры тепловизором 2. Воздух из окружающей среды нагнетался компрессорами 3, 4 и 5 в ресивер 6 под избыточным давлением до 0.0172 МПа. Из ресивера воздух проходил через расходомер 7 и участок нагрева 8. Исходный уровень нагрева воздуха задавался при помощи регулятора напряжения 9. После участка нагрева установлен фланец для крепления насадков. Давление перед выходным отверстием измерялось U-образным манометром 10. Исследования проводились при разных параметрах истечения нагретого воздуха (табл. 1).

Для термографирования процесса истечения нагретого воздуха через насадки использовался тепловизор NEC Thermo Tracer TH-9100WL. Обработка термограмм производилась в программном комплексе “NEC Image Processor”.

В ходе опытов давление в магистрали находилось в диапазоне от 0.0036 до 0.0172 МПа и температура в интервале 303–313 К. Результаты проведенных исследований представлены на рис. 4. Полученные термограммы истекающего воздушного потока проанализированы по основным характеристикам струи: длина, угол раскрытия и отклонение от оси отверстия. Предполагается, что струя при истечении через цилиндрический канал имеет осесимметричную форму поперечного сечения и, соответственно, осью струи считается ее ось симметрии. В ходе обработки полученных данных угол раскрытия струи определялся по ее внешним видимым границам. Длина струи измерялась длиной видимой части двухфазной области, а в случае истечения невскипающей жидкости – длиной не распавшейся на капли струи.

Рис. 4.

Термограммы истечения воздуха из насадка с выходным отверстием со срезом при α = 30°: (а) – Q = 0.0015 м³/ч, (б) – 0.014, (в) – 0.019; α = 45°: (г) – 0.0025, (д) – 0.015, (е) – 0.02; α = 60°: (ж) – 0.0012, (з) – 0.013, (и) – 0.018.

На основе полученных данных установлено, что во всем диапазоне изменения Q и при всех значениях α ось струи совпадает с осью отверстия, т.е. деформация поля давления в устье струи на выходе из насадка фактически не оказывает влияния на отклонение оси истекающей струи нагретого воздуха относительно оси канала. Также проведены эксперименты по истечению холодной воды с начальными параметрами в рабочей камере: Т_о = 25°С, р_о = 0.4 МПа, которые показали тот же самый результат, что и истечение горячего воздуха – отсутствие отклонения струи от оси канала.

Установлено, что при истечении воздуха (идеальный газ, фазовый переход отсутствует) величина угла среза выходного отверстия насадка оказывает существенное влияние на угол раскрытия струи: наибольшие его значения относятся к насадку с α = 30°, наименьшие – к насадку с α = 60°. Отличия могут достигать 35%. Следует отметить, что с увеличением расхода воздуха через насадки происходит рост угла раскрытия струи, что характерно для всех геометрических конфигураций насадков. Данный факт объясняется нарастанием слоя смещения затопления струи [24].

Как и следовало ожидать, с ростом расхода воздуха происходит увеличение длины распространения струи через все насадки. Так, для насадка α = 30° длина струи l составляла от 62 до 85 мм при увеличении Q от 0.0013 до 0.019 м³/ч. В то время как для насадка с α = 45° l находилась в диапазоне от 41 до 67 мм при тех же расходах воздуха. При этом максимальная длина струи во всех режимах зарегистрирована у насадка с α = 30°. Измерения длин и углов проводились путем проецирования термограммы на масштабированную размерную сетку.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТЕЧЕНИЯ ПЕРЕГРЕТОЙ ВОДЫ ЧЕРЕЗ НАСАДКИ СО СРЕЗОМ ВЫХОДНОГО ОТВЕРСТИЯ

Полученные результаты сопоставлены с результатами экспериментальных исследований динамики истечения в горизонтальном направлении вскипающей воды через эти же насадки в атмосферу. Схема экспериментальной установки для изучения истечения перегретой воды через насадки представлена на рис. 5. Корпус рабочей камеры представлял собой цилиндрический стакан объемом 0.01 м², выполненный из нержавеющей стали. Лабораторная установка обеспечивала стационарное истечение жидкости в течение нескольких десятков секунд из сосуда высокого давления. Методика проведения данных исследований подробно представлена в [16, 25].

Рис. 5.

Разрез рабочей камеры высокого давления для истечения перегретой воды через каналы со срезами: 1 – корпус камеры, 2 – кожух для термопары, 3 – нагревательный элемент, 4 – короткий канал со срезом.

В ходе эксперимента температура воды варьировалась от 423 до 573 К, давление – от 0.5 до 10.5 МПа. Для визуализации процесса истечения использовалась фотосъемка с применением фотоаппарата Nicon D70.

В качестве примера на рис. 6 представлены результаты исследования истечения двухфазной струи через насадку с выходным отверстием с α = 45°.

Рис. 6.

Фотограммы истечения перегретой струи через насадок с α = 45°: (а) – температура воды – 423 К, давление – 0.4 МПа; (б) – 463 К, 1 МПа.

Установлено, что при истечении перегретой воды через насадки со срезом выходного отверстия наблюдается отклонение оси струи относительно оси отверстия на величину от 15° до 18°, что характерно для всех условий истечения. Примечательно, что тенденции изменения угла между осью паровой струи и осью выходного отверстия по мере роста температуры и давления не выявлено. Также обнаружено, что по мере роста давления и температуры воды угол раскрытия струи увеличивался от 23° до 30°.

По мнению авторов, отклонение оси парожидкостной струи от оси канала со скосом обусловлено образованием и ростом паровых пузырей в потоке. Поскольку одна сторона канала – в данном случае нижняя – длиннее, чем верхняя, то она препятствует расширению двухфазной струи в нижнем направлении. В силу этого асимметрия канала со скосом приводит к отклонению оси струи в вертикальном направлении, как и показано на рис. 6. Эксперименты с однофазными средами (нагретый газ (рис. 4) и холодная (не вскипающая) вода [9]) показали, что внешний срез канала не влияет на отклонение струи от оси канала.

Поскольку в опытах с воздухом и с водой использовались разные принципы формирования изображения, то для согласования методов исследований истечения с фазовым переходом и без него выполнены исследования с фиксацией истечения паровой струи с помощью вышеуказанного тепловизора. В качестве примера на рис. 7 представлены фотограмма и термограмма, выполненные при одних и тех же условиях истечения.

Рис. 7.

Сравнение форм истечения струи перегретой жидкости через насадок с α = 45° (температура воды – 463 К, давление – 1 МПа), полученных с помощью фотосъемки (а) и тепловизионной съемки (б).

Тепловизионная съемка показала высокую степень согласованности и соответствия эксперимента с данными фотосъемки, что подтверждает достоверность полученных результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на основании рассмотренных данных и проведенных экспериментальных исследований можно сформулировать следующие основные выводы:

– установлено, что при истечении без фазового перехода через насадки, имеющие разную геометрическую форму выходного отверстия, отсутствует смещение оси струи относительно оси выходного отверстия;

– выявлено, что величина угла среза выходного отверстия насадка оказывает существенное влияние на угол раскрытия воздушной струи;

– установлено, что при истечении перегретой воды через те же насадки имеет место смещение оси струи относительно оси выходного отверстия в диапазоне от 15° до 18°;

– обнаружено, что с ростом давления воздуха и воды происходит увеличение угла раскрытия струи, что характерно для всех геометрических конфигураций насадков;

– выявленные физические эффекты и закономерности могут быть применены в процессах топливоподачи в двигателях внутреннего сгорания для формирования направленного объемного, комбинированного или пристеночного смесеобразования с целью повышения полноты и эффективности сгорания топлива;

– использование процесса взрывного вскипания для подачи топлива в двигателях внутреннего сгорания требует пересмотра конструкции распылителей в сторону снижения длины распыливающего отверстия относительно его диаметра для резкого уменьшения давления;

– требуется проведение дальнейших исследований распыла перегретых жидкостей с использованием многодырчатых распылителей с измененным углом скоса для достижения оптимальной геометрии и термодинамических условий.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 18-08-00742).