POLYDISPERSE GAS-LIQUID MIXTURE PREPARATION METHOD
Гасенко В.Г.1, Горелик Р.С.2, Тимкин Л.С.3
1Доктор технических наук, 2Кандидат технических наук, 3Кандидат физико-математических наук, Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛИДИСПЕРСНОЙ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 14-02-01009
Аннотация
Полидисперсная газожидкостная смесь с непрерывным распределением пузырьков по размерам обладает уникальным свойством повышенной диссипативности, вызванной аналогом затухания Ландау. Для формирования такой смеси предложен метод разрушения первоначально монодисперсных пузырьков короткими осциллирующими импульсами давления умеренной интенсивности 7-8 бар. Импульсы формировались электромеханическими ударами по жесткой металлической мембране в вертикальной газожидкостной трубе. Показано, что под воздействием осциллирующих импульсов давления пузырьки разрушаются на более мелкие, с широкой дисперсией по размерам, а также коагулирую в более крупные.
Ключевые слова: газожидкостные пузырьки, разрушение пузырьков, ударная волна, скорость звука, осцилляции давления.Gasenko V.G.1, Gorelik R.S.2, Timkin L.S.3
1PhD in Engineering, 2PhD in Engineering, 3PhD in Physics and Mathematics, Institute of Thermophysics named after S.S. Kutateladze SB RAS
POLYDISPERSE GAS-LIQUID MIXTURE PREPARATION METHOD
Abstract
Polydispersive gas-liquid mixture with continuous bubble sizes distribution has unique property of increased dissipation induced by mechanism analogous to Landau attenuation. The essence of proposed method was to use short oscillating pressure pulses induced by electromechanical impact to stiff metal membrane of moderate 7-8 bar intensity in vertical gas-liquid shock tube. It was shown that such kind pulses destroy initial bubbles to smaller ones with broad size distribution, and promote conditions to coagulate them into greater bubble’s sizes.
Keywords: gas-liquid bubbles, bubble breaking, shock wave, sound velocity, pressure oscillations.
Разрушение газовых пузырьков в жидкости под действием ударных волн рассматривалось ранее в работах [1-8] как экспериментально, так и теоретически. До сих пор нет единого мнения о механизме разрушения пузырьков. В работах [2-4] механизмом разрушения пузырьков считается классическая неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, вызванная относительным движением жидкости и газа за счет проскальзывания пузырьков в поле давления со скоростью![image002](/media/images/articles/MWelUEAimage002.png)
![image004](/media/images/articles/_iX913cimage004.png)
![image006](/media/images/articles/kddxA5Uimage006.png)
![image008](/media/images/articles/TQUcwuAimage008.png)
![image010](/media/images/articles/X3PlLQkimage010.png)
![image012](/media/images/articles/FQD9szgimage012.png)
![image014](/media/images/articles/PwK1IeYimage014.png)
![image016](/media/images/articles/flNNJIUimage016.png)
![image018](/media/images/articles/rXHSq_simage018.png)
![image020](/media/images/articles/F6Ipm0Yimage020.png)
![image022](/media/images/articles/GX2Z68cimage022.png)
![image024](/media/images/articles/cCbjWQEimage024.png)
![image026](/media/images/articles/6SVvnHQimage026.png)
![image028](/media/images/articles/N-qIaeEimage028.png)
![image030](/media/images/articles/-h7tLDwimage030.png)
![image032](/media/images/articles/-KvXW-4image032.png)
![image034](/media/images/articles/yJ6hh-Mimage034.png)
Рис. 1 – Схема экспериментальной установки.
Устройство позволяло формировать в чистой жидкости импульсы давления амплитудой 0.1 ÷ 10 бар и временем нарастания переднего фронта ~ 80 мкс. В качестве рабочей жидкости использовался 30% водный раствор глицерина с плотностью ρ = 1008 кг/м3. Газовые пузырьки формировались подачей сжатого воздуха через отверстия в стенке цилиндрического тела установленного в большом объеме жидкости, на входе в трубу. Внутренний диаметр отверстий равен 0.15 мм. Далее пузырьки всплывали в экспериментальной трубе. Объемное газосодержание во всех экспериментах равно 0.6%. Фотографирование пузырьков проводилось между первым и вторым датчиками давления.Результаты
Первоначальный диаметр монодисперсных пузырьков равен 1.27 мм. Фотография свободно всплывающих пузырьков в рабочей трубе до прохождения ударной волны представлена на Рис. 1 а).![03-11-2015 13-16-44](/media/images/articles/r6NiHJ003-11-2015-13-16-44.png)
Рис. 2 – Фотография первоначальных пузырьков в трубе и гистограмма распределения пузырьков по диаметрам. Параметры пузырьков указаны в миллиметрах. Резонансная частота для пузырька диаметром 1.27 мм равна 2.96 кгц.
Для цифровой пакетной обработки фотографий использовалась программа Image J (http://imagej.nih.gov//ij), которая позволяла определять минимальный, средний, максимальный диаметры и дисперсию по размерам пузырьков, Рис. 1 б). Фотография и гистограмма показывают, что первоначальные пузырьки монодисперсны, средний диаметр![image016](/media/images/articles/flNNJIUimage016.png)
![03-11-2015 13-17-09](/media/images/articles/Nk3aBj403-11-2015-13-17-09.png)
Рис. 3 – Две аналогичные серии фотографий (1-7) прохождения одиночной волны по смеси монодисперсных пузырьков в рабочей трубе. Волна движется снизу вверх, фотографии, снятые с интервалом 1/60 сек, расположены последовательно слева направо.
Сигналы четырех датчиков давления при прохождении одиночного импульса давления в первоначальной пузырьковой смеси, представлены на Рис. 4. Амплитуда импульса на первом датчике составляет около 8 бар, на фоне которого отчетливо видны пульсации мембраны частотой 13 кгц. Амплитуды импульса давления и пульсаций давления затухают на последующих датчиках. Частота и амплитуда пульсаций обусловлены выбором материала мембраны, способом ее крепления в установке и типом ударного устройства. В данном случае использовалась никелевая мембрана толщиной 0.2 мм.![image042](/media/images/articles/zt5mXPUimage042.png)
Рис. 4 – Реализации давления от четырех последовательно расположенных датчиков давления, когда одиночный импульс давления проходит по пузырьковой смеси, приведенной на Рис. 2. Средняя скорость волны в смеси 500 м/сек. Частота пульсаций давления на первом датчике равна 13 кгц.
Когда по пузырьковой смеси проходят несколько последовательных волн, эффект дробления пузырьков накапливается. Большие пузырьки или дробятся или благодаря большей скорости всплытия быстро уходят из трубы, тогда как количество мелких пузырьков нарастает от импульса к импульсу. Фотография пузырьков после прохождения 20-ти осциллирующих волн давления и результаты цифровой обработки представлены на Рис. 5. В трубе остались мелкие пузырьки, средний диаметр![image016](/media/images/articles/flNNJIUimage016.png)
![03-11-2015 13-17-29](/media/images/articles/nFcNP8E03-11-2015-13-17-29.png)
Рис. 5 – Фотография мелких пузырьков в трубе и гистограмма распределения их по диаметрам после прохождения 20-ти ударных волн. Гистограмма в черном цвете построена в линейном вертикальном масштабе, а в сером цвете – в логарифмическом. Параметры пузырьков указаны в миллиметрах. Резонансная частота для пузырька диаметром 0.0938 мм равна 40 кгц.
Рис. 6 – Реализации давления от четырех последовательно расположенных датчиков давления, когда импульс давления проходит по пузырьковой смеси, приведенной на Рис. 5. Средняя скорость звука в смеси 330 м/сек. Частота пульсаций давления на первом датчике равна 15.8 кгц.
Таким образом, ряд последовательных осциллирующих волн давления уменьшил средний диаметр пузырьков более чем в 10 раз, одновременно дисперсия по размерам выросла в 7 раз. Сигналы датчиков давления при прохождении ударной волны по полученной смеси из раздробленных пузырьков представлены на Рис. 6. Амплитуда волны на первом датчике 7 бар, амплитуда пульсаций давления за фронтом волны меньше, чем при прохождении по первоначальным монодисперсным пузырькам, Рис. 2 а). Частота пульсаций входного импульса давления здесь равна 15.8 кгц. Амплитуда быстро затухает на сигналах с последующих датчиков. Особенно быстро затухает амплитуда пульсаций между первым и вторым датчиками. Скорость ударной волны снизилась до 330 м/сек.Заключение
Проведена серия экспериментов по распространению осциллирующего импульса давления в газожидкостной пузырьковой среде с миллиметровыми монодисперсными пузырьками. Показано, что осциллирующий импульс давления умеренной амплитуды в 7-8 бар приводит к разбиванию монодисперсных миллиметровых пузырьков. После прохождения ряда последовательных таких импульсов получается широко-дисперсная по размерам смесь мелких пузырьков. Помимо разрушения пузырьков на более мелкие, в экспериментах наблюдались явления значительной коагуляции пузырьков до размеров больших, чем первоначальные. Это очевидно связано, в том числе, и с силами притяжения Бьеркнеса, возникающими между пузырьками в осциллирующем поле давления.Литература
- Нигматуллин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Наука. – 1987. – Часть 1. – 462 с.
- Гельфанд Б.Е., Губин С.А., Когарко С.М., Симаков С.М., Тимофеев Е.И. Исследование разрушения пузырьков газа в жидкости ударными волнами // Изв. АН СССР, МЖГ. – 1975, № 4. – С. 51-55.
- Гельфанд Б.Е., Губин С.А., Нигматуллин Р.И., Тимофеев Е.И. Влияние плотности газа на дробление пузырька ударными волнами // Докл. АН СССР. – 1977. – T. 235, № 2. – C. 292-294.
- Донцов В.Е., Марков П.Г. Исследование дробления пузырьков газа и его влияния на структуру уединенных волн давления умеренной интенсивности в жидкости с пузырьками газа // ЖПМТФ. – 1991, № 1. – С. 45-49.
- Plesset M.S. On the Stability of Fluid Flows with Spherical Symmetry // Journal of Applied Physics. – 1954. – Vol. 25, № 1 – S. 96-98.
- Воинов О.В., Перепелкин В.В. Об устойчивости поверхности газового пузыря, пульсирующего в жидкости // ПМТФ. – 1989, № 3. – С. 76-83.
- Воинов О.В. Условия разрушения сферического газового пузыря в жидкости при нелинейных пульсациях // Доклады Академии Наук. – 2008. Т. 422, № 6. – С. 750-754.
- Mettin R., Akhatov I., Parlitz U., Ohl C. D., Lauterborn W. Bjerknes forces between small cavitation bubbles in a strong acoustic field // Phys. Rev. – 1997. – Vol. 56, № 3. – S. 2924-2931.
References
- Nigmatullin R.I. Dynamics of multiphase media. Hemisphere Publishing Corp. – 1990. – Vol. 1. – 388 s.
- Gel'fand B.E., Gubin S.A., Kogarko S.M., Simakov S.M., Timofeev E.I. Breakup of air bubbles in a liquid by shock wave // Fluid Dynamics. – 1975. – Vol. 10, № 4. – S. 579-583.
- Gel'fand B.E., Gubin S.A., Nigmatullin R.I., Timofeev E.I. Влияние плотности газа на дробление пузырька ударными волнами // Докл. АН СССР. – 1977. – Vol. 235, № 2. – S. 292-294.
- Dontsov V.E., Markov P.G. Investigation of breakup of gas bubbles and its effect on the structure of moderate intensity solitaire pressure waves in a liquid with a gas bubbles // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. – 1991. – Vol. 32, № 1 – S. 41-45.
- Plesset M.S. On the Stability of Fluid Flows with Spherical Symmetry // Journal of Applied Physics. – 1954. – Vol. 25, № 1. – S. 96-98.
- Voinov O.V., Перепелкин V.V. Stability of the surface of a gas bubble pulsating in a liquid // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. – 1989, № 3. – S. 76-83.
- Voinov O.V., Conditions for Breakdown of a Spherical Gas Bubble in Fluid Caused by Nonlinear Pulsations // Doklady Physics. – 2008. – Vol. 53, № 10. – S. 539-543.
- Mettin R., Akhatov I., Parlitz U., Ohl C. D., Lauterborn W. Bjerknes forces between small cavitation bubbles in a strong acoustic field // Phys. Rev. – 1997. – Vol. 56, № 3. – S. 2924-2931.