Кононенко А.П.

Донецкий национальный технический университет

ГРАНИЦЫ СТРУКТУР ВЕРТИКАЛЬНЫХ ВОДОВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ В ЭРЛИФТАХ

Математическое моделирование двухфазных потоков предполагает определенность с их структурами, из числа которых в подъемных трубах эрлифтов преимущественно реализуются снарядная, эмульсионная или кольцевая [1].

Большинство работ по количественным критериям областей существования структур двухфазных потоков основываются на визуальной оценке исследователя и оформляются в виде графических карт режимов течения [2 и др.], недостатком которых является достаточно низкая адекватность.

В то же время доказано [3, 4], что переход от одной структуры потока к другой определяется кризисными явлениями – потерей устойчивости предыдущей структурой двухфазной смеси. Критериальная зависимость, описывающая кризисные явления в двухфазном потоке, имеет вид

,                                      (1)

где k - безразмерный параметр (критерий Кутателадзе – Ku); Fr, We, Ga - критерии Фруда, Галилея и Вебера;  - плотности жидкости и газа;  - коэффициенты кинематической вязкости жидкости и газа; l1, l2 – характерные линейные размеры.

Многочисленные экспериментальные данные по кризисной потере устойчивости структур газожидкостных потоков обработаны в системе координат

,                                                  (2)

где

,                                   (3)

и представлены в виде карты кризисных состояний и режимов течений двухфазных смесей [4], с помощью которой и выполнено исследование структур потоков в подъемной трубе эрлифта.

В эрлифт принудительно подается один компонент – сжатый воздух, а расход жидкости при этом устанавливается в зависимости от конструктивных и технологических особенностей подъемника. Поэтому следует ожидать, что структура газожидкостного потока и его характеристики во многом также будут определяться конструктивными и технологическими параметрами эрлифта.

Для оценки границ структур течения водовоздушной смеси в подъемной трубе использованы первичные экспериментальные данные более 80 эрлифтов с диаметрами подъемных труб D = 25÷624 мм при их длинах H+h = 2,1÷316,0 м и относительных погружениях смесителя α = 0,070÷0,995.

Для ряда точек (8-15 точек) каждой анализируемой экспериментальной характеристики эрлифта вычислены параметры k и N для условий входа в подъемную трубу и выхода из нее с обязательным определением этих параметров в характерных режимах работы [1] – оптимальном (с минимальным удельным расходом воздуха) и режиме максимальной подачи (с максимальной подачей эрлифта). Построение характеристик эрлифтов на поле карты кризисных состояний двухфазных потоков в координатах k и N выполнено с помощью разработанной программы на ПЭВМ. Для каждой характеристики эрлифта как для условий входа в подъемную трубу, так и для условий выхода из нее предусмотрено два варианта представления графиков – в виде полной характеристики (рис. 1,а), либо в виде двух соединенных точек (рис. 1,б) – оптимальной точки и точки максимальной подачи. Такие варианты представления графических зависимостей создают большие удобства и надежность в оценке получаемых результатов.

На рисунке 1 приняты следующие обозначения: кривая а – граница потери устойчивости пузыря газа в трубе и переход снарядного режима в эмульсионный;       кривая б – инверсия течения жидкой      пленки        (только

а)

б)

Рисунок 1 – Характеристики эрлифтов (рис. 1, а) и точки оптимальной (׳) и максимальной (״) подач  (рис. 1, б)  при снарядной структуре водовоздушного потока в оптимальном режиме работы: D = 60 мм, H+h = 16,0 м, α = 0,660 - ○ - вход в трубу, * - выход из трубы; D = 100 мм, H+h = 16,9 м, α = 0,444 - △,▽; D = 100 мм, H+h = 16,9 м, α = 0,538 - ,×; D = 25 мм, H+h = 14,0 м, α = 0,393 - +,; D = 50 мм, H+h = 14,0 м, α = 0,393 - ,; D = 80 мм, H+h = 15,0 м, α = 0,433 - ,●; D = 143 мм, H+h = 2,52 м, α = 0,409 - ¢,▲; D = 140 мм, H+h = 4,95 м, α = 0,404 - ▼,♦

восходящее течение) и формирование кольцевого режима; кривая в – срыв капель с поверхности пленки и начало ее разрушения с диспергированным течением в центре трубы; кривая г – неустойчивое течение пленки жидкости на стенке и переход к диспергированному течению в центре трубы; А – область пузырьково-снарядного режима; Б – область эмульсионного режима; В – область устойчивого кольцевого течения; Г – область диспергированного течения.

Характеристики эрлифтов на картах кризисных состояний сгруппированы по классам перечисленных выше структур потоков, имеющих место в оптимальном режиме и режиме максимальной подачи эрлифта. Рисунок 1 – пример такого построения для снарядной структуры водовоздушного потока.

Выполненные исследования позволили получить количественные соотношения параметров для определения границ структур двухфазных потоков (табл. 1, 2) и разработать карты структур водовоздушных потоков в подъемных трубах эрлифтов (рис. 2).

Таблица 1 – Значения критериев и параметров водовоздушного потока в оптимальном режиме работы эрлифта

Структура потока

Относительное погружение смесителя α

Приведенная скорость воздуха , м/с

Критерий Фруда водовоздушной смеси Frсм

Пузырьково-снарядная

≥ 0,4

≤ 4,5

≤ 30

Эмульсионная

0,1÷0,4

≤ 15

≤ 200

Кольцевая

≤ 0,1

≤ 20

≤ 350

Таблица 2 – Значения критериев и параметров водовоздушного потока в режиме максимальной подачи эрлифта

Структура потока

Относительное погружение смесителя α

Приведенная скорость воздуха , м/с

Критерий Фруда водовоздушной смеси Frсм

Пузырьково-снарядная

≥ 0,4

≤ 7

≤ 220

Эмульсионная

0,1÷0,6

≤ 16

≤ 430

Кольцевая

≤ 0,2

≤ 28

≤ 670

        

а)                                                                               б)

Рисунок 2 – Карты структур (режимов) водовоздушных потоков в подъемных трубах эрлифтов: а – оптимальный режим; б – режим максимальной подачи

Вычислив значения относительного погружения смесителя α и критерия Фруда водовоздушной смеси Frсм с использованием данных карт возможно предварительно оценить структуру потока в подъемной трубе в двух режимах работы эрлифта – оптимальном (рис. 2, а) и режиме максимальной подачи (рис. 2, б).

Количественная определенность границ структур водовоздушных смесей позволит разработать математические модели рабочих процессов эрлифтов.

Литература.

1. Папаяни Ф.А., Козыряцкий Л.Н., Пащенко В.С., Кононенко А.П. Энциклопедия эрлифтов. М.: Информсвязиздат, 1995. – 592 с.

2. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972. – 440 с.

3. Кутателадзе С.С., Сорокин Ю.Л. О гидродинамической устойчивости некоторых газожидкостных систем. Сб. статей: Вопросы теплоотдачи и гидравлики двухфазных сред, М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961, с. 315-324.

4. Сорокин Ю.Л., Пушкина О.Л. О режимах течения газожидкостных смесей, Труды ЦКТИ, вып. 47, 1964, с. 72-82.