Двухфазных потоков

Анализ некоторых технологических свойств

Вибрация трубопроводов, транспортирующих двухфазные потоки. При движении жидкости в достаточно длинных или с плотно распределенной системой гидравлических сопротивлений, что характерно для систем РКТ, происходит снижение недогрева жидкости и парообразования (фазовый переход) в результате падения давления. По мере роста паросодержания в трубопроводе могут возникнуть различные структуры двухфазного потока: от пузырьковой до дисперсно-кольцевой. Крупнопузырьковая и снарядная структуры (крупномасштабная структура) являются, в отношении структурного фактора, основным истечением вибрации.

Проблема вибрации трубопроводов с двухфазным рабочим телом характерна для тепловых и атомных электростанций. Наибольшая интенсивность пульсаций давления и скорости наблюдается для снарядной структуры двухфазного потока. Поэтому именно взаимодействие такой структуры с функциональными элементами гидравлического тракта является наиболее сильным источником возбуждения вибрации. Снарядная структура характеризуется почти периодическим чередованием газовых крупномасштабных образований (снарядов) и жидких пробок. Этот тип двухфазного течения хаарктеризуется большими значениями паросодержания: и скоростью снарядов, равной скорости смеси, т.е. коэффициент скольжения равен ~1.

Гидроудар в газожидкостных двухфазных потоках. Экспериментально установлено, что в гахожидкостных потоках скорость распространения низкочастотных возмущений снижается, процесс затухания колебаний убыстряется, уровень давления на фронте ударной волны уменьшается по сравнению неразрывно жидким потоком. Другими словами, присутствие в жидкости газовых включений ослабляет последствия гидроудара.

Однако при достаточно больших газосодержаниях в потоке, т.е. для определенных структур двухфазного потока, может наблюдаться ситуация, когда в потоке возникают сильные ударные волны при перекрытии трубопровода. Особенно часто это наблюдается при снарядной структуре потока. Экспериментально показано, что инерционное повышение давления при гидроударе зависит от скорости смеси до удара и газосодержания. На рис. 5 представлен характер изменения максимального давления при гидроударе. Видно, что четкая зависимость максимумов давления от j прослеживается лишь для пузырьковой структуры потока. Для снарядной структуры не наблюдается никакой видимой корреляции. Кроме того, совершенно различными оказываются закономерности в зависимости от того, что проходит запорное устройство (регулирующий орган) в момент его закрытия: газовый снаряд (крупный пузырь или ансамбль крупных пузырей) или жидкая пробка. На рис. 6 и 7 показаны зависимости максимальных давлений при гидроударе при перекрытии регулирующего органа (РО) по газовому снаряду и по жидкой пробке соответственно. На рис. 6 хорошо прослеживается тенденция уменьшения максимальных давлений с ростом газового включения. Иначе выглядит зависимость для максимальных давлений при перекрытии по жидкой пробке.

Структура двухфазного потока в условиях, близких к состоянию невесомости. Потенциальные преимущества использования двухфазных рабочих тел в энергосистемах РКТ хорошо известны: уменьшение размеров и веса, снижение энергопотребления. Системы терморегулирования, питания, дренажные и сливные системы, системы подачи и перекачки криогенных жидкостей содержат функциональные элементы с двухфазным рабочим телом. Поэтому разработки энергосистем РКТ нуждаются в исследованиях заономерностей образования структуры двухфазного потока в условиях невесомости. Исследования, выполненные в наземных условиях на летающей лаборатории (специально оборудованный самолет) показали следующее. В диапазоне изменения относительного ускорения (а/q₀) от 1 до 0,2 наблюдалась расслоенная структура, при а/q₀®0 имела место кольцевая структура со значительной толщиной жидкого кольца, формирующегося у стенки трубы. Поверхность кольца крупноволновая. Отмечается, что для кольцевой структуры реализуется процесс «захлебывания», т.е. когда толстая крупноволновая пленка скрывается и перекрывает поток жидкой пробеой. В этом случае кольцевая структура двухфазного потока переходит в снарядную. А именно снарядная структура, как уже обсуждалось, создает условия для возникновения и развития вибрационных процессов, меняя локальный микрогравитационный фон.

Активные методы воздействия на структуру двухфазного пот ока. Актуальность процесса технических решений, направленных на ослабление вибрационных явлений сомнений не вызывает. Технически освоенным в настоящее время способом устранения или ослабления вибраций трубопроводов, транспортирующих двухфазные потоки, является более жидкое закрепление трубопроводов, установка демпфирующих опор и устройств. В это случае источник вибрации не устраняется, спектр вибраций, как правило. Смещается в сторону больших частот, амплитуда вибраций снижается. Но это пассивный метод. Несомненно, более эффективным способом борьбы с вибрациями трубопроводов вяляется устранение основного источника их возбуждения, т.е. активный метод. Так как наиболее сильным источником возбуждения пульсаций параметров, приводящего к вибрационному режиму, является снарядная структура, то активные методы устранения вибраций должны состоять в создании условий течения, несовместимых с режимом течения со снарядной структурой или в оказании такого внешнего воздействия на поток, которое разрушит снарядную структуру, если она все же образуется.

Существуют различные способы практической реализации активных методов воздействия на нежелательную структуру потока. Наиболее радикальным способом является захолаживание потока для исключения двухфазного состояния на всем трубопроводе или в критическом в отношении гидродинамической устойчивости функциональном элементе. Сложность реализации этого способа очевидна.

Другой путь активного воздействия на двухфазный поток состоит в необходимости найти техническое решение, переводящее пузырьковую структуру двухфазного потока в дисперсно-кольцевую, минуя снарядную. Для этой цели используется вставка с острой входной кромкой в качестве дросселя. На острой кромкой происходит вскипание потока с образованием дисперсно-кольцевой структуры. Для того. Чтобы данное устройство эффективно работало, необходим перепад давления на нем как на гидравлическом сопротивлении не менее 0,3 МПа (3 атм). Это не всегда совместимо с требованиями энергомассовой минимизации систем, что характерно для технических систем РКТ.

Третий способ активного воздействия на поток – это разрушение газовых снарядов и жидких пробок путем установки в трубопроводе закручивающего устройства. Процесс закрутки потока и испарении фаз приводит к формирвоанию структуры, близкой к дисперсно-концевой. Главный недостаток этого метода связан с относительно малой длиной, на которой сохраняется кольцевая структура. Этот недостаток вероятнее всего ослабляется в условиях невесомости.

При дренировании гидравлического тракта, например, ЖРД через разветвленный трубопровод (рис.8.) возникает разнотяговость, обусловленная при отсутствии гид­равлической несимметричности обводящих дренажных каналов крупномасштабной (прерывистой) структурой двухфазного по­тока. Прерывистая структура двухфазного потока, подходящего к месту разветвления дренажной системы, обуславливаем неиден­тичность распределения сплошности по длине отводящих каналов, что вызывает рассогласованность значений j в тягообразующем сечении и соответствующее рассо­гласование тяг (разнотяговость).

На рис. 9 показано формирование разно­сти давлений перед дренажными насадками разветвленного дренажного трубопровода. Наличие разности давлений обуславливает разнотяговость. Причина этому - неиден­тичность общего гидравлического сопро­тивления отводящих дренажных каналов, обусловленная неидентичностью распреде­ления сплошности по их длине.

Рис. 9 Разветвленный дренажный трубопровод

1 - подводящий трубопровод; 2,3 - отводящие трубопроводы;

4 — вставка — распределитель по­тока; 5 - фланец герметизирующий

Разнотяговость разветвленной дренаж­ной системы может быть ослаблена органи­зацией симметричного распределения пото­ка в отводящие дренажные трубопроводы. Одним из вариантов такой организации мо­жет быть установка перфорированной вставки-распределителя в области разделе­ния потока в отводящие каналы (рис. 9).

На рис. 10 показано влияние на разность давления такой вставки, представляющей собой перфорированный цилиндр (100 рав­номерно распределенных по поверхности цилиндра отверстий 01,0 мм). Видно, что изменение структуры, потока благоприятно отразилось на разнотяговости.

012345678 t, с

Рис. 8. Формирование перепада давления перед дренажными насадками разветвленного дренажного трубопровода:

х - продувки трубопровода газом; □ - проливки трубопровода водой;

D- проливки трубопроод двухфазным рабочим телом прерывистой структуры

Рис. 10 Перепад давления перед дренажными насадками разветвленного дренажного трубопровода, фрагменты осциллограммы записи процесса сямоопорожнения через разветвленный дренажный трубопровод:

а - без распределения потоков; б - с распределением потоков

Систематизируя информационно-аналитическую часть изложенного выше, можно сделать следующий вывод: идентификация структуры двухфазного потока в гидравлическом контуре – приоритетная задача при отработке и исследовании функциональных элементов ЖТЭС РКТ открытого и закрытого типов с двухфазным рабочим телом.

Диагностика структур двухфазного потока в основном производится визуальным методом. Объективная, то есть инструментальная диагностика, должна базироваться на составлении особенности сигнала какого-либо датчика с локальной структурой двухфазного потока. В качестве такого критерия предлагается использовать спектральные характеристики записи пульсаций давления. Этот метод диагностики потока в части идентификации его структуры имеет принципиальный недостаток, заключающийся в том, что запись давления датчиком, установленным на стенке трубопровода, отражает всю совокупность волновых процессов, реализующихся в трубопроводе, то есть как в ближнем, так и в дальнем поле. В этой совокупности вклад в частотно-амплитудные характеристики записи давления, обусловленный структурой двухфазного потока, может быть не доминирующим.

Для идентификации структуры потока в непрозрачных секциях гидравличесого тракта необходимо использовать зондовую датчиковую аппаратуру, особенности сигнала которой отражают локальные свойства двухфазного потока, однозначно связанные с его структурой.

Для отработки средств диагностики двухфазных потоков, градуировки датчиков сплошности, исследования механических устройств, предназначенных для целенаправленной перестройки структуры, необходимо предложить и отработать технологию создания двухфазных стационарных статистически воспроизводимых двухфазных потоков с заданной структурой, то есть технологию получения «образцового двух­фазного потока» (ОДП).

Таким образом, основу технологии по­лучения ОДП составляют специальные устройства-смесители, апробированные режимы получения путем смешения жидкости и газа двухфазных потоков заданной структуры с обеспечением визуального контроля над процессами формирования и динамикой перестройки структуры потока, что возможно при использовании прозрачного расходного трубопровода.

Дата добавления: 2014-01-07