RU174627U1 - Installation for studying the deformation of droplets in a stream - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к лабораторным установкам для исследования деформации капель в потоке. Установка включает устройство для получения капель, систему подачи обдувающего каплю потока воздуха и трубку Пито для измерения скорости потока воздуха. Устройство для получения капель выполнено в виде расположенной вертикально капельницы с капилляром с возможностью формирования неподвижной капли. Система подачи потока воздуха содержит микрокомпрессор, соединенный трубопроводом через регулирующий вентиль с цилиндрическим патрубком, установленным соосно с капельницей. Трубка Пито расположена в выходном сечении патрубка. Диаметр капилляра капельницы и расстояние между срезом капилляра капельницы и выходным сечением патрубка определяются по алгебраическим формулам. Достигается повышение эффективности устройства и информативности исследования.The utility model relates to laboratory facilities for studying the deformation of droplets in a stream. The installation includes a device for receiving droplets, a supply system for blowing a drop of air flow and a pitot tube for measuring air flow rate. The device for producing droplets is made in the form of a vertically arranged dropper with a capillary with the possibility of the formation of a fixed droplet. The air flow supply system comprises a microcompressor connected by a pipe through a control valve to a cylindrical nozzle mounted coaxially with the dropper. The pitot tube is located in the outlet section of the nozzle. The diameter of the dropper capillary and the distance between the slice of the dropper capillary and the outlet section of the nozzle are determined by algebraic formulas. EFFECT: increased efficiency of the device and information content of the study.

Description

Полезная модель относится к лабораторным установкам для исследования физических процессов, в частности, для исследования деформации капель в потоке.The utility model relates to laboratory facilities for studying physical processes, in particular, for studying the deformation of droplets in a stream.

Процессы потери устойчивости формы капель в обдувающем потоке газа, приводящие к их деформации и дроблению, играют важную роль в гидрогазодинамике двухфазных потоков [1]. Эти процессы имеют практическое значение в метеорологии (формирование спектра размеров капель атмосферных осадков [2]), в двигателестроении (дисперсность капель горючего в двигателях внутреннего сгорания и в жидкостных ракетных двигателях [3]), в задачах экологии (эволюция облака капель токсичных компонентов жидких ракетных топлив, образующегося при разгерметизации в атмосфере топливных баков ракет-носителей [4]) и в целом ряде других отраслей техники и технологии.The processes of loss of stability of the shape of droplets in a blowing gas stream, leading to their deformation and crushing, play an important role in the hydro-gas dynamics of two-phase flows [1]. These processes are of practical importance in meteorology (the formation of a droplet size spectrum of precipitation [2]), in engine building (dispersion of fuel droplets in internal combustion engines and in liquid rocket engines [3]), in environmental problems (evolution of a cloud of droplets of toxic components of liquid rocket fuels generated during depressurization in the atmosphere of fuel tanks of launch vehicles [4]) and in a number of other branches of engineering and technology.

Основным критерием, определяющим деформацию капли в потоке газа, является число Вебера [1]:The main criterion that determines the deformation of a drop in a gas stream is the Weber number [1]:

где ρ_g - плотность газа;where ρ _g is the gas density;

- вектор скорости капли;

is the droplet velocity vector;

- вектор скорости обдувающего каплю потока газа;

is the velocity vector of the gas flow blowing a drop;

D₀ - диаметр исходной сферической капли;D ₀ is the diameter of the initial spherical drop;

σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости.σ is the coefficient of surface tension of the liquid.

Число Вебера характеризует отношение сил динамического напора газа к силе поверхностного натяжения. С увеличением We возрастает деформация капли, и при достижении некоторого критического значения числа Вебера происходит ее дробление за счет развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца [1].The Weber number characterizes the ratio of the dynamic gas pressure forces to the surface tension force. With an increase in We, the deformation of the droplet increases, and when a certain critical value of the Weber number is reached, it is crushed due to the development of Kelvin – Helmholtz instability [1].

При экспериментальном исследовании закономерностей деформации и дробления капель в потоке наряду с регистрацией характерных размеров деформированной капли необходимо определять число Вебера (1) по измеренным в эксперименте значениям ρ_g,

,

, D₀, σ.In an experimental study of the patterns of deformation and crushing of droplets in a stream, along with recording the characteristic dimensions of a deformed drop, it is necessary to determine the Weber number (1) from the values of ρ _g measured in the experiment,

,

, D ₀ , σ.

Известна экспериментальная установка для изучения дробления капель аэродинамическими силами [5]. Рабочая жидкость (водноглицериновые растворы различной концентрации) поступала к формирующему капилляру. На падающие из капилляра капли через сменные сопла воздействовал поток воздуха, направленный перпендикулярно траектории капель. Для детального изучения различных фаз деформации и разрушения капель использовался метод визуализации в стробоскопическом освещении. Координаты движущейся капли измерялись телевизионной системой, включающей видеокамеру и телевизор. К недостаткам данной установки относится ограниченная точность измерения скорости и размера движущейся капли, связанная с скоростной видеорегистрациией достаточно протяженного измерительного поля съемки.A known experimental setup for studying droplet crushing by aerodynamic forces [5]. The working fluid (water-glycerin solutions of various concentrations) was supplied to the forming capillary. Drops falling from the capillary through interchangeable nozzles were affected by an air flow directed perpendicular to the trajectory of the drops. For a detailed study of various phases of deformation and fracture of droplets, the method of visualization in stroboscopic illumination was used. The coordinates of the moving drop were measured by a television system including a video camera and a television. The disadvantages of this setup include the limited accuracy of measuring the speed and size of a moving drop associated with high-speed video recording of a sufficiently long measuring field of shooting.

Наиболее близкой по технической сущности является экспериментальная установка для исследования деформации капель, движущихся в потоке газа [6]. На падающие из дозатора капли воздействовал встречный поток газа от нагнетательной системы. Процесс движения капель регистрировался скоростной видеокамерой. Скорости газа и капель определялись PIV-методом (particle image velocimetry) - методом измерения скорости на основе двухэкспозиционного изображения вводимых в поток трассирующих частиц с цифровой обработкой информации. Недостатками данной установки являются необходимость введения трассирующих частиц в поток газа с проведением дополнительных экспериментов, сложность и высокая стоимость используемого оборудования, а также сложность юстировки регистрирующей аппаратуры.The closest in technical essence is an experimental setup for studying the deformation of droplets moving in a gas stream [6]. Drops falling from the dispenser were affected by the oncoming gas flow from the discharge system. The process of droplet movement was recorded by a high-speed video camera. The gas and droplet velocities were determined by the PIV method (particle image velocimetry) - a method of measuring velocity based on a two-exposure image of tracer particles introduced into the stream with digital information processing. The disadvantages of this installation are the need to introduce tracer particles into the gas stream with additional experiments, the complexity and high cost of the equipment used, as well as the difficulty of aligning the recording equipment.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности измерения степени деформации капли и параметров, входящих в число Вебера, за счет обеспечения строго контролируемых условий обдува исходной капли при существенном упрощении экспериментального оборудования установки и юстировки измерительной аппаратуры.The technical result of the claimed utility model is to increase the accuracy of measuring the degree of deformation of the droplet and the parameters included in the Weber number, by providing strictly controlled conditions for blowing the initial droplet while significantly simplifying the experimental equipment of the installation and adjustment of measuring equipment.

Технический результат полезной модели достигается тем, что разработана установка для исследования деформации капель в потоке, включающая устройство для получения капель, систему подачи обдувающего каплю потока воздуха и трубку Пито для измерения скорости потока воздуха. Устройство для получения капель выполнено в виде расположенной вертикально капельницы с капилляром с возможностью формирования неподвижной капли. Система подачи потока воздуха содержит микрокомпрессор, соединенный трубопроводом через регулирующий вентиль с цилиндрическим патрубком, установленным соосно с капельницей. Трубка Пито расположена в выходном сечении патрубка.The technical result of the utility model is achieved by the development of a device for studying the deformation of droplets in a stream, including a device for producing droplets, a supply system for blowing a drop of air flow, and a pitot tube for measuring air flow velocity. The device for producing droplets is made in the form of a vertically arranged dropper with a capillary with the possibility of the formation of a fixed droplet. The air flow supply system comprises a microcompressor connected by a pipe through a control valve to a cylindrical nozzle mounted coaxially with the dropper. The pitot tube is located in the outlet section of the nozzle.

Диаметр капилляра капельницы и расстояние между срезом капельницы и выходным сечением патрубка определяется из соотношенийThe diameter of the capillary dropper and the distance between the slice of the dropper and the outlet section of the nozzle is determined from the relations

h≤10 мм,

h≤10 mm

где d_к - диаметр капилляра капельницы;where d _to - the diameter of the capillary dropper;

σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости;σ is the coefficient of surface tension of the liquid;

Во_кр=4.5 - критическое значение числа Бонда;In _cr = 4.5 - the critical value of the Bond number;

g - ускорение свободного падения;g is the acceleration of gravity;

ρ_l - плотность жидкости;ρ _l is the fluid density;

h - расстояние между срезом капельницы и выходным сечением патрубка.h is the distance between the slice of the dropper and the outlet section of the nozzle.

Достижение положительного эффекта изобретения обеспечивается следующими факторами.The achievement of the positive effect of the invention is provided by the following factors.

1. Устройство для получения капель, выполненное в виде расположенной вертикально капельницы с капилляром с возможностью формирования неподвижной капли, позволяет обеспечить нулевую скорость обдуваемой потоком воздуха капли (u_l=0). При расчете числа Вебера по формуле (1) исключается дополнительная погрешность измерения скорости капли u_l.1. A device for producing droplets, made in the form of a vertically arranged dropper with a capillary with the possibility of forming a stationary droplet, allows to ensure zero speed blown by the flow of air droplets (u _l = 0). When calculating the Weber number by the formula (1), an additional error in measuring the drop velocity u _{l is} excluded.

2. Использование в системе подачи потока воздуха микрокомпрессора с регулирующим вентилем позволяет обеспечить регулируемую в широком диапазоне скорость потока воздуха u_g с использованием компактного недорогого оборудования.2. The use of a microcompressor with a control valve in the air flow system allows the air flow rate u _g to be regulated over a wide range using compact, inexpensive equipment.

3. Использование цилиндрического патрубка, установленного соосно с капельницей, позволяет сформировать равномерный поток обдувающего неподвижную каплю потока воздуха.3. The use of a cylindrical nozzle mounted coaxially with the dropper allows the formation of a uniform flow of air flow around a stationary drop of air.

4. Использование трубки Пито, расположенной в выходном сечении патрубка, позволяет проводить измерения скорости потока воздуха с помощью недорогого стандартного оборудования [7].4. The use of a pitot tube located in the outlet section of the nozzle allows measurements of the air flow rate using inexpensive standard equipment [7].

5. Соотношение для диаметра капилляра капельницы получено из условия получения исходной неподвижной капли. Уравнение, связывающее массу образующейся капли с условием разрыва по периметру смачивания (периметру поперечного сечения капилляра), имеет вид [8]:5. The ratio for the diameter of the capillary dropper is obtained from the conditions for obtaining the original fixed droplet. The equation connecting the mass of the droplet formed with the condition of rupture along the wetting perimeter (the perimeter of the capillary cross section) has the form [8]:

где m - масса капли;where m is the mass of the drop;

g - ускорение свободного падения;g is the acceleration of gravity;

d_k - диаметр капилляра капельницы;d _k is the diameter of the capillary dropper;

σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости.σ is the coefficient of surface tension of the liquid.

Для получения неподвижной (висящей) капли необходимо выполнить неравенство [8]To obtain a fixed (hanging) drop, it is necessary to fulfill the inequality [8]

Массу капли можно представить в виде:The mass of the drop can be represented as:

где ρ_l - плотность жидкости.where ρ _l is the fluid density.

Подставляя (4) в (3), получим формулу для расчета диаметра образующейся капли:Substituting (4) in (3), we obtain the formula for calculating the diameter of the resulting drop:

Критерием, определяющим деформацию капли за счет массовых сил (силы тяжести), является число Бонда [1]:The criterion that determines the deformation of a drop due to mass forces (gravity) is the Bond number [1]:

Число Бонда характеризует отношение массовых сил к силам поверхностного натяжения. При достижении некоторого критического значения числа Бонда Во_кр капля деформируется под действием массовых сил. Следовательно, для получения исходной капли с формой, близкой к сферической, необходимо выполнение условия:The Bond number characterizes the ratio of mass forces to surface tension forces. Upon reaching a certain critical value of the Bond number _{Vocr, the} drop is deformed under the influence of mass forces. Therefore, to obtain the initial drop with a shape close to spherical, the following conditions must be met:

Подставляя в неравенство (7) выражение для числа Бонда (6), получим условие, обеспечивающее существование капли:Substituting the expression for the Bond number (6) into inequality (7), we obtain the condition for the existence of a drop:

Подставляя в (8) формулу для диаметра капли (5), получим соотношение для диаметра капилляра, обеспечивающее получение неподвижной капли:Substituting in (8) the formula for the diameter of the droplet (5), we obtain the ratio for the diameter of the capillary, providing a fixed drop:

где Во_кр=4.5 - экспериментально полученное критического значение числа Бонда [9].where Vo _kr = 4.5 is the experimentally obtained critical value of the Bond number [9].

6. Расстояние между срезом капилляра капельницы и выходным сечением патрубка h≤10 мм определено экспериментально из условия равенства скорости потока воздуха в выходном сечении патрубка и воздействующего на каплю потока.6. The distance between the cut of the capillary of the dropper and the outlet cross section of the nozzle h≤10 mm is determined experimentally from the condition that the air velocity in the outlet cross section of the nozzle and the flow acting on the drop is equal.

Пример реализацииImplementation example

Сущность полезной модели поясняется Фиг. 1, на которой приведена схема установки для исследования деформации капель в потоке. Установка включает вертикально расположенную капельницу с капилляром 1, систему подачи направленного вертикально вверх обдувающего падающую каплю 2 потока воздуха и трубку Пито 3 для измерения скорости потока воздуха. Система подачи потока воздуха содержит микрокомпрессор 4, соединенный трубопроводом через регулирующий вентиль 5 с цилиндрическим патрубком 6, установленным соосно с капельницей 1.The essence of the utility model is illustrated in FIG. 1, which shows a diagram of an apparatus for studying the deformation of droplets in a stream. The installation includes a vertically located dropper with capillary 1, a system for supplying a vertically upwardly blowing falling drop 2 air stream and a Pitot tube 3 for measuring the air flow rate. The air flow supply system comprises a microcompressor 4 connected by a pipeline through a control valve 5 to a cylindrical pipe 6 mounted coaxially with the dropper 1.

Регистрация формы капли 2 осуществляется отдельным стандартным устройством 7 (фотоаппарат или видеокамера). В частности, для рассмотренного примера реализации использовалась видеокамера «Citius С 100». Видеорегистрация проводилась с пространственным разрешением 384×790 пикселей с темпом 300 кадров в секунду и временем экспозиции (0.5÷2.0) мс.Drop shape 2 is recorded by a separate standard device 7 (camera or camcorder). In particular, for the considered implementation example, the Citius C 100 video camera was used. Video recording was carried out with a spatial resolution of 384 × 790 pixels at a rate of 300 frames per second and exposure time (0.5 ÷ 2.0) ms.

Проведение экспериментов по исследованию деформации капли осуществляется следующим образом. С помощью капельницы с капилляром 1 формируется неподвижная капля 2 рабочей жидкости (водно-глицериновые растворы, силиконовое масло, касторовое масло и др.). С помощью микрокомпрессора 4 и вентиля 5 устанавливается заданная скорость потока воздуха u_g, которая измеряется трубкой Пито 3.Conducting experiments to study the deformation of a drop is as follows. With the help of a dropper with capillary 1, a stationary drop 2 of the working fluid is formed (water-glycerin solutions, silicone oil, castor oil, etc.). Using a microcompressor 4 and valve 5, a predetermined air flow rate u _{g is established} , which is measured by a Pitot tube 3.

После формирования исходной капли 2 на нее воздействует равномерный поток воздуха из патрубка 6, под действием которого капля деформируется. Размеры деформированной капли 2 регистрируются видеокамерой 7. Затем с помощью регулирующего вентиля 5 устанавливаются более высокие уровни u_g и проводятся аналогичные измерения.After the formation of the initial droplet 2, a uniform air flow from the nozzle 6 acts on it, under the influence of which the droplet is deformed. The dimensions of the deformed drop 2 are recorded by the video camera 7. Then, using the control valve 5, higher levels u _{g are set} and similar measurements are made.

В качестве примера реализации рассмотрим результаты измерения деформации капли глицерина в потоке воздуха при комнатной температуре. Необходимые для расчетов физические характеристики воздуха и глицерина при температуре 20°С приведены в таблице 1.As an example of implementation, we consider the results of measuring the deformation of a drop of glycerol in an air stream at room temperature. The physical characteristics of air and glycerol, necessary for calculations, at a temperature of 20 ° С are given in table 1.

Расстояние между срезом капельницы и выходным сечением патрубка h=10 мм.The distance between the slice of the dropper and the outlet section of the nozzle h = 10 mm

Определим диаметр капилляра по формуле (9):Determine the diameter of the capillary by the formula (9):

Таким образом, диаметр капилляра должен быть не более d_к≤3.21 мм. Для экспериментов выбрано значение d_к=2.5 мм.Thus, the diameter of the capillary should be no more than d _to ≤3.21 mm. For the experiments, the value d _k = 2.5 mm was chosen.

Проведем оценку максимального значения диаметра исходной капли по формуле (5):Let us estimate the maximum value of the diameter of the initial drop by the formula (5):

Видеокадры исходной и деформированной капли приведены на Фиг. 2 для разных значений скорости обдува и чисел Вебера, рассчитанных по формуле (1). Степень деформации рассчитывалась путем обработки результатов видеосъемки:The video frames of the initial and deformed drops are shown in FIG. 2 for different values of the airflow rate and Weber numbers calculated by the formula (1). The degree of deformation was calculated by processing the video results:

где D_m, D₀ - диаметр поперечного сечения деформированной и исходной капли.where D _m , D ₀ is the diameter of the cross section of the deformed and the initial drop.

Таким образом, из приведенного примера следует, что при реализации заявленной полезной модели достигнут положительный результат - повышение точности измерения степени деформации капли и параметров, входящих в число Вебера, за счет обеспечения строго контролируемых условий обдува исходной капли при существенном упрощении экспериментального оборудования установки и юстировки измерительной аппаратуры.Thus, it follows from the above example that, when implementing the claimed utility model, a positive result was achieved — an increase in the accuracy of measuring the degree of deformation of the droplet and parameters included in the Weber number by providing strictly controlled conditions for blowing the initial droplet while substantially simplifying the experimental equipment of the installation and adjustment of the measuring equipment.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. 1. - М.: Наука, 1987. - 464 с.1. Nigmatulin R.I. The dynamics of multiphase media. Part 1. - M .: Nauka, 1987 .-- 464 p.

2. Матвеев А.Т. Основы общей метеорологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1965. - 874 с.2. Matveev A.T. Fundamentals of General Meteorology. - L .: Gidrometeoizdat, 1965 .-- 874 p.

3. Васильев А.П., Кудрявцев В.М., Кузнецов В.А. и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. - М.: Высшая школа, 1983. - 703 с.3. Vasiliev A.P., Kudryavtsev V.M., Kuznetsov V.A. and other Fundamentals of the theory and calculation of liquid rocket engines. - M.: Higher School, 1983. - 703 p.

4. Александров Э.Л. Поведение жидких ракетных топлив в атмосфере. // Экологические проблемы и риски воздействий ракетно-космической техники на окружающую среду / справочное пособие / Под ред. Алдушина В.В., Козлова С.И., Петрова А.В. - М.: АНКИЛ, 2000. - 600 с.4. Alexandrov E.L. Behavior of liquid rocket fuels in the atmosphere. // Ecological problems and risks of the effects of rocket and space technology on the environment / reference manual / Ed. Aldushina V.V., Kozlova S.I., Petrova A.V. - M .: ANKIL, 2000 .-- 600 p.

5. Стернин Л.Е., Шрайбер А.А. Многофазные течения газа с частицами. - М.: Машиностроение, 1994. - 320 с.5. Sternin L.E., Schreiber A.A. Multiphase gas flows with particles. - M.: Mechanical Engineering, 1994 .-- 320 p.

6. Волков Р.С., Жданов А.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Особенности процессов деформации движущихся в газовой среде капель жидкости. - Журнал технической физики. 2015, Т. 85. Вып. 10. - С. 29 - 33.6. Volkov RS, Zhdanov A.O., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Features of the processes of deformation of liquid droplets moving in a gaseous medium. - Journal of Technical Physics. 2015, T. 85. Issue. 10. - S. 29 - 33.

7. Петунии А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. - М.: Машиностроение, 1996. - 380 с.7. Petunias A.N. Methods and techniques for measuring gas flow parameters. - M.: Mechanical Engineering, 1996. - 380 p.

8. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. - М.: Мир, 1979. - 568 с.8. Adamson A. Physical chemistry of surfaces. - M .: Mir, 1979. - 568 p.

9. Архипов В.А., Усанина А.С., Трофимов В.Ф., Васенин И.М. Устойчивость формы частиц дисперсной фазы при малых Рейнольдса. - Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2013, №2. - С. 5-14.9. Arkhipov V.A., Usanina A.S., Trofimov V.F., Vasenin I.M. The stability of the shape of the particles of the dispersed phase at small Reynolds. - Izv. RAS. Mechanics of fluid and gas. 2013, No. 2. - S. 5-14.

10. Неволин Ф.В. Химия и технология производства глицерина. - М.: Химия, 1954. - 401 с.10. Nevolin F.V. Chemistry and glycerol production technology. - M .: Chemistry, 1954. - 401 p.

Claims (8)

Установка для исследования деформации капель в потоке, включающая устройство для получения капель, систему подачи обдувающего каплю потока воздуха и трубку Пито для измерения скорости потока воздуха, отличающаяся тем, что устройство для получения капель выполнено в виде расположенной вертикально капельницы с капилляром с возможностью формирования неподвижной капли, система подачи потока воздуха содержит микрокомпрессор, соединенный трубопроводом через регулирующий вентиль с цилиндрическим патрубком, установленным соосно с капельницей, а трубка Пито расположена в выходном сечении патрубка, причем диаметр капилляра капельницы и расстояние между срезом капилляра капельницы и выходным сечением патрубка определяются из соотношенийInstallation for researching the deformation of droplets in a stream, including a device for producing droplets, a system for supplying a droplet of air flow and a pitot tube for measuring air velocity, characterized in that the device for producing droplets is made in the form of a vertically arranged dropper with a capillary with the possibility of forming a stationary droplet , the air flow supply system contains a microcompressor connected by a pipe through a control valve with a cylindrical nozzle mounted coaxially with the drip Its, and the Pitot tube is located in the outlet section of the nozzle, and the diameter of the dropper capillary and the distance between the section of the dropper capillary and the outlet section of the nozzle are determined from the relations

h≤10 мм,

h≤10 mm где d_к - диаметр капилляра капельницы;where d _to - the diameter of the capillary dropper; σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости;σ is the coefficient of surface tension of the liquid; Во_кр=4.5 - критическое значение числа Бонда;In _cr = 4.5 - the critical value of the Bond number; g - ускорение свободного падения;g is the acceleration of gravity; ρ_l - плотность жидкости;ρ _l is the fluid density; h - расстояние между срезом капельницы и выходным сечением патрубка.h is the distance between the slice of the dropper and the outlet section of the nozzle.

Images