Идентификация режимов течения пароводяных потоков высоких параметров методом оптической голографии

В различных процессах, аппаратах и оборудовании энергетической и других областей техники в качестве рабочих тел используются двухфазные среды, В последние годы бурное развитие энергетики и возросшие требования к надежности и экономичности энергетического оборудования послужили причиной более широкого и глубокого изучения различных процессов в двухфазных течениях. Как отмечалось на УП Международной конференции по теплообмену (Мюнхен, 1982 г.), каждая вторая работа в области теплообмена относится к двухфазным средам. Несмотря на огромный и непрерывно возрастающий объем информации о двухфазных потоках, наши представления о механизме процессов в пароводяных смесях в обогреваемых каналах остаются весьма ограниченными. Это объясняется как сложностью и трудоемкостью экспериментальных исследований в этой области, так и влиянием на характеристики потоков большого количества различных факторов. Ограниченность представлений о механизме процессов вынузвдает проводить имеющие узкое применение, дорогостоящие и сложные натурные эксперименты, вводить при расчетах оборудования тепловых и атомных электростанций большие коэффициенты запаса.

Среди подлежащих исследованию различных аспектов рассматриваемой проблемы особого внимания заслуживает более детальное изучение структурных форм пароводяного потока. Необходимым условием надежного определения гидравлического сопротивления, коэффициента теплоотдачи, критических тепловых потоков, объемного паросодержания и других характеристик двухфазного теплоносителя является наличие достоверных сведений о распределении фаз в канале и, прежде всего, о различных картинах или режимах течения. Выделение различных режимов течения двухфазного потока так же существенно, как разделение однофазного потока на ламинарное и турбулентное течения.

Большинство опубликованных к настоящему времени результатов исследований структур двухфазных течений получено на воздухо-водяных смесях при давлениях, близких к атмосферному. Перенесение этих результатов на пароводяные потоки высокого давления применительно к энергетическим установкам не является правомерным. В то же время, непосредственное экспериментальное исследование таких потоков требует преодоления больших трудностей методического характера. Несомненными достоинствами в этом отношении обладает использованный в настоящей работе метод оптической голографии: он не вызывает возмещение потока измерительными устройствами, позволяет получить «замороженное» объемное изображение структуры потока с высокими временной и пространственной разрешающими способностями и с большим диапазоном яркостей.

Разработка голографической методики исследования пароводяных потоков высокого давления проводилась автором данной работы во Всесоюзном теплотехническом институте им. Ф.ЭДзержинского. Созданный на основе этой методики комплекс экспериментального оборудования был использован для систематического изучения режимов течения восходящего пароводяного потока в трубе диаметром 8,8 мм и обогреваемом кольцевом канале диаметром 8,3/3 мм в диапазоне давлений от I до 10 МПа, массовой скорости от 500 до 3000 кг/(и?с), удельного теплового потока до 0,5 МВт/м? и относительных энтальпий от -0,2 до +0,5. Анализ составленной библиотеки объемом свыше 1500 голограмм потока позволил надежно идентифицировать основные режимы течения (пузырьковый, снарядный, эмульсионный и дисперсно-кольцевой), а также подрежимы дисперсно-кольцевого течения: с волнами возмущения на пристенной пленке жидкости, с волнами типа ряби, с гладкой микропленкой. Обработка большого массива полученных экспериментальных данных позволила получить физически обоснованные критериальные зависимости для всех границ между режитми течения.

Автор выражает ис*феннюю признательность д•т.н., проф. Ривкину С. Л., по чьей инициативе в ВТИ были развернуты исследования по применению лазерной техники в теплотехнических исследованиях. Изложенные в настоящей работе результаты были получены при активной поддержке и непосредственном участии научного руководителя д.т.н., проф. Дорощука В. Е., ст.н.сотр., к.т.н. Левитана Л Д., инженеров Артамоновой Л. И. и Цыгановой H.H., техника Агеевой EJ3., механика Крючкова А. Г. и слесаря Колба-сина И.И., которым автор приносит искреннюю, благодарность.

ЗАКЯКНЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Проведенный аналитический обзор литературы по методам исследования структуры двухфазных потоков выявил преимущества и перспективность методов оптической голографии.

2. Анализ литературы показал, что до настоящего времени отсутствуют надежные рекомендации по границам режимов течения пароводяных потоков в диапазоне параметров, характерном для энергетического оборудования.

3. Разработана методика голографического диагностирования структуры пароводяных потоков высоких параметров, позволяющая:

— надежно идентифицировать режимы течения на основе аналитического описания хода лучей в канале с учетом преломления на границе раздела фаз и рефракции при обогреве;

— оптимизировать параметры голографической схемы на основе высокоточной математической модели распространения электромагнитной волны, учитывающей одновременное влияние всех факторов на качество голографических изображений;

— обосновать надежную, простую и тонную однолучевуго схему юстировки оптического оборудования;

— рассчитать и оптимизировать параметры системы наблюдения восстановленного голографического изображения.

4. На основе разработанной методики создан комплекс экспериментальной аппаратуры, включающий:

— стенд для получения пароводяных потоков заданных режимных параметров и их измерения с экспериментальными участками для визуализации пароводяных потоков высокого давления в трубе и обогреваемом кольцевом канале;

— оптическое оборудование для записи голограмм пароводяного потока в свете рубинового лазера с помощью полуавтоматической дистанционно управляемой голокамеры;

5. На созданном комплексе экспериментального оборудования проведены систематические записи голограмм картин течения восходящего пароводяного потока в трубе и кольцевом канале в диапазоне давлений от I до 10 МПа, массовых скоростей от 500 до 3000 кг/(и?с), относительных энтальпий от — 0,2 до + 0,5 и удельных тепловых потоков до 0,5 МВтД?.

6. Анализ составленной и систематизированной библиотеки объемом свыше 1500 голограмм позволил надежно идентифицировать пузырьковый, снарядный, эмульсионный и дисперсно-кольцевой режимы течения пароводяного потока, а также подрежимы дисперсно-кольцевого течения с волнами возмущения на поверхности пристенной пленки жидкости, с волнами типа ряби и с гладкой микропленкой.

7. Обработка всего массива полученных экспериментальных данных позволила построить подробные карты режимов течения и разработать физически обоснованные единые для трубы и кольцевого канала критериальные формулы для определения относительной энтальпии границ областей устойчивого существования всех режимов течения пароводяных потоков высоких параметров. Полученные формулы рекомеццованы для расчетов энергооборудования.

Заключение

гл. 1 Анализ литературы по методам и результатам исследования режимов течения двухфазных потоков позволяет сделать следующие выводы:

— Необходима четкая топологическая классификация режимов течения, выделяющая основные структурные формы границ раздела фаз.

— Опубликованные многочисленные карты режимов течения, в основном, воздухо-водяных потоков, не учитывают специфику движения кипящей жидкости.

— Теоретические модели переходов между режимами основаны на наблюдениях воздухо-водяных потоков низкого давления и не описывают пароводяного потока.

— Опубликованные немногочисленные экспериментальные карты режимов течения пароводяных потоков не согласуются не только количественно, но и качественно, и не позволяют обобщить в критериальном виде соотношения между относительной энтальпией, массовой скоростью, давлением, удельным тепловым потоком и размерами канала.

— На опубликованных картах режимов течения пароводяной смеси не ввделены подобласти дисперсно-кольцевого режима, отличающиеся характером течения пристенной пленки жидкости, хотя он во многом определяет гидравлическое сопротивление и теплоотдачу.

— Основным эталонным методом идентификации режимов течения является визуализация. Для успешнойо использования этого метода необходимо детальное описание хода лучей в канале экспериментального участка.

— Голография является современным развитием оптических методов исследования и обладает рядом существенных преимуществ перед кинои фотосъемкой.

Сделанные из литературного обзора выводы служат обоснованием задачи настоящей работы: разработка методики голографи-ческой идентификации режимов течения пароводяных потоков высокого давления в каналах и получение с ее помощью систематических экспериментальных данных, позволяющих в критериальном виде обобщить уравнения для границ областей устойчивого существования режимов.

Глава 2. МЕТОДИКА. ГОЛОГРАФИИ ПАРОВОДЯНЫХ ПОТОКОВ.

Голография пароводяных потоков высокого давления в каналах обадает специфическими особенностями. Для записи голограмм потока из-за искажений, вносимых каналом экспериментального участка, необходимо использовать схещ с боковым опорным лучом (см. п.1,9). Кроме того, нельзя не учитывать возможности разрыва прозрачного участка канала. Частая разборка экспериментального участка с целью замены помутневшей стеклянной трубки требует быстрого и точного восстановления оптической схемы.

Поэтому при разработке голографической схемы были поставлены следующие задачи: исключить нахождение оператора во время проведения эксперимента вблизи экспериментального участкаупростить ту часть голографической схемы, которая устанавливается в шахте экспериментального участка, составив ее ия наименьшего количества простых, дешевых и легкозаменимых оптических элементовсвести к минимуму число зеркал с диэлектрическим покрытием, легко разрушаемым влажным воздухомупростить операцию юстировки оптики, уменьшить время юстировки и повысить ее надежностьувеличить количество голограмм, снимаемых в одной серии без отключения потокаудалить по возможности стенд создания пароводяного потока и измерения его параметров от основного оптического оборудования и, прежде всего, от рубинового лазера.

Для решения этих задач была принята следующая компоновка помещений стенда: помещение пароводяного стендазал голографирования, комната для восстановления и изучения изображений, фотолаборатория.

При компоновке оборудования были приняты следующие решения:

— В зале голографирования находилась лишь герметично закрываемая шахта с экспериментальным участком. Шахта имела свето-изоляцию от помещения пароводяного стенда.

— Рубиновый лазер (с единственным во всей схеме диэлектрическим зеркалом), за пультом которого находился оператор, был удален от экспериментального участка на шксимально возможное расстояние (8 м). Тракт канализация лазерного излучения в шахту исключал возможность прямэго попадания луча в глаз оператора,.

— Съемка проводилась на топографическую пленку специально сконструированной голокамерой, управляемой полуавтоматически дистанционно с пульта рубинового лазера и позволяющей снимать до 40 голограмм без перезарядки, требующей вмешательства оператора (то есть без отключения потока).

— Между помещением пароводяного сиенда и залом голографирования была установлена громкоговорящая трансляционная связь.

В целом компоновка помещений и оборудования удовлетворяла методическим указаниям ВНИИНМАШ [60].

2.1. Голографические схемы.

Одновременно с разработкой различных вариантов экспериментальных участков (см. п.2.4) проводилась работа по созданию и усовершенствованию методики голографирования пароводяных потоков [10, 45, 95, 98]. Было разработано и испытано большое количество голографических схем, три из которых представлены на рис. 2.1, 2.2 и 2.3.

Схема рис. 2.1 была разработана для съемки голограмм потока одновременно на просвет и в осевом направлении с использованием экспериментального участка № I (см. п.2.4 и рис. 2.7). Источником импульсного когерентного излучения в этой и всех других схемах служил рубиновый лазер голографической установки УИГ-1М [19, 22]. Резонатор лазера образован сферическим зеркалом (I) с. диэлектрическим покрытием и плоскопараллельной пластиной (2). Активным элементом лазера являлся круглый рубиновый стержень (3) с сапфировыми наконечниками. Оптическая накачка рубина осуществлялась лампой ИФПП-8000 (4). Для создания одномодового излучения использовалась диафрагма (5). Модуляция добротности резонатора производилась раствором красителя, залитым в квзвету (6).

Для повышения энергии импульса излучения использовались два оптических усилителя установки УИГ-1М. Конструктивно они в точности повторяли узел (3,4). Излучение рубиного лазера поднималось призшми (10) и (II) до уровня смотровых окон экспериментального участка и направлялось в шахту. Рубиновый лазер, оба оптических усилителя и схема юстировки собирались на оптической скамье установки УИГ-1М. Элементы подъема луча (10) и (II) закреплялись на специально сконструированном мощном штативе, установленном на той же оптической скамье.

Б шахте лазерный луч попадал на светоделитель (12), который делил его на два. Прошедший луч (большей интенсивности), отражаясь зеркалом (13), расширялся линзой (31) и освещал боковое окно экспериментального участка (14). Для диффузного освещения потока применялся матовый рассеиватель (32). Луч, прошедший через поток и вышедший из канала через второе боковое окно, попадал на фотопленку (16). Он служил предметным лучом в схеме голографирования на просвет. Опорный луч этой схемы после отражения от светоделителя (12), прохождения через светоделитель. (23), расширения коллиматором (8−9) и отражения от зеркал (24) и (25) также попадал на фотопленку (16).

Предметный луч осевого голографирования получался за счет преломления потоком света, попадавшего через окно освещения. Этот луч выходил через торцевое окно экспериментального участка № I (14) и попадал на фотопленку (30). Опорный луч этой схемы после отражения от светоделителя (23), расширения коллиматором (26−27), отражения от зеркал (28) и (29) также падал на фотопленку (30).

Описанная схема позволяла голографировать поток одновременно по двум направлениям: на просвет и по оси потока. Недостатком схемы является ее сложность и, как следствие, малая надежность, проявляющаяся в частой разъюстировке в условиях повышенной вибрации стенда. Кроме того, в схеме использовались два светоделителя с диэлектрическим покрытием, которые быстро выходили из строя во влажном воздухе стенда.

Дальнейшее усовершенствование схемы сводилось к ее упрощению и повышению надежности работы. Голографирование потока в кольцевом канале № 2 (см. п.2.4 и рис. 2.7) производилось по схеме рис. 2.2. Б качестве светоделителя в этой схеме использовалась призма-куб (12). Поток освещался двумя пучками лучей, выходящими под небольшими углами к оси канала из бипризмы (31). Такой способ позволил ярко осветить пленку на центральном стержне при голографировании ядра дисперсно-кольцевого потока.

Испытания разнообразных схем позволили сделать определенные выводы.

— Необходимо провести оптимизацию резонатора лазера для улучшения характеристик его излучения.

— Подъем луча зеркалами с диэлектрическим покрытием нежелателен из-за их малой водостойкости. Использование для этой цели призм полного внутреннего отражения (10) и (II) (см. рис.2.1 и 2.2)влечет за собой появление отражений от их граней, что недопустимо из-за опасности попадания в глаз оператора.

— Использование светоделителей с диэлектрическим покрытием (см. рис. 2.1) нежелательно по тем же причинам. Призма-куб (см. рис. 2.2) для этой цели неудобна из-за отражения луча под прямым углом. Часто для деления света используются стеклянные элементы без дополнительных покрытий. Но плоскопараллельные пластины при делении расширенного луча создают на голограмме нежелательную интерференционную картину за счет отражения от их передней и задней граней. В одной из испытанных схем светоделителем служила плоско-выпуклая цилиндрическая линза: опорный луч получался отражением от передней плоской грани линзы, а прошедший через нее луч расширялся в одном направлении, что позволяло рационально осветить продолговатое смотровое окно участка.

— Расширение луча коллиматорами, установленными в шахте вдали от лазера (см. рис.2.1 и 2.2), имело существенные недостатки: запыленность воздуха сильно искажала лазерный луч на длинном его пути от лазера до шахты, требовалась очень тщательная юстировка и жесткое крепление коллиматоров относительно лазера, в случае разрыва участка могли быть повреждены линзы коллиматоров .

— Освещение канала диффузным светом через штовый рассеи-ватель (32) (см. рис.2.1), хотя и дает более мягкое малобликую-щее освещение, требует увеличения энергии лазерного импульса и, кроме того, увеличивает зернистость изображения из-за авантюриновых пятен, свойственных когерентному излучению 1.38]. Поэтому уже в схеме рис. 2.2 использовалось коллимированное освещение.

— Необходимо разработать простую и надежную схему юстировки всех элементов голографической схемы (см. п.2.1.2).

Этот опыт работы был учтен при создании топографической схемы рис. 2.3, на которой и были проведены все систематические съемки голограмм потоков как в трубе (экспериментальный участок № 3, см. рис. 2.8), так и в кольцевом канале (экспериментальный участок № 4, см. рис. 2.9). Б этой схеме для уменьшения количества оптических элементов в непосредственной близости к экспериментальному участку расширение лазерного луча осуществлялось одним коллиматором, установленным на оптической скамье установки УИГ-1М рядом с лазером. Коллиматор представлял собой 15 * 50-кратную афокальную насадку, состоявшую из короткофокусной отрицательной (8) и длиннофокусной положительной (9) линз. Расширенный луч зеркалами (10) и (II) поднимался на 2 м до высоты смотровых окон экспериментального участка и направлялся в шахту. Сменные отрицательные линзы (8) позволяли ступенчато варьировать увеличение коллиматора и тем самым подбирать оптимальную экспозицию голографической пленки (см. Приложение I).

В самой шахте было установлено всего четыре простых оптических элемента: клин (12), выполнявший роль светоделителя, зеркало (13) для освещения экспериментального участка (14), нейтральный светофильтр (15) для ослабления интенсивности опорного луча и голокамера (16). Опорный луч в этой схеме создавался за счет отражения от передней грани клина (12). Поскольку угол падения луча на переднюю грань был близок к углу Брюстера, отраженный опорный луч автоматически имел вертикальную поляризацию, что повышало качество голограмм (см. Приложение I). Нейтральный светофильтр (15) позволял выравнивать интенсивности предметного и опорного лучей, что увеличивало яркость восстановленного изображения (см. Приложение I).

Специально сконструированная голокамера (16) обеспечивала.

1 — сферическое зеркало.

2 — кварцевая пластина.

3 — рубиновый стержень.

4 — лампа-вспышка 5,7 — диафрагмы.

6 — кювета модулятора 8 — отрицательная линза ф 9 — положительная линза каЖ1шатоР 10, II, 13, 18, 19 — зеркала 12 — клин-светоделитель.

14 — экспериментальный участок.

15 — нейтральный светофильтр

16 — голокамера.

17 — газовый лазер ЛГ-38 20 — диафрагма-мишень.

-<2 со.

Схема голографирования пароводяного потока полуавтоттичекую дистанционную перемотку голографической пленки ФПГВ-2 шириной 35 мм со стандартной перфорацией. Голока-мера была изготовлена на базе фотоаппарата микрофотонасадки МШЭ (рис. 2.4) и конструктиво состояла из трех узлов: крышки, А с кадровым окном 24×36 мм, корпуса Б с механизмом транспортировки пленки и рейтера Б для крепления камеры и подсоединения электрокабеля. Кнопка «Перемотка», светодиод (индикатор перемотки) и электромеханический счетчик отснятых кадров были смонтированы на пульте управления установки УИГ-1М и соединены с го-локамерой трехжильным кабелем с разъемным присоединением. Разработанная гслокамера находилась в эксплуатации в течении нескольких лет и показала высокую надежность, простоту и удобство в управлении. За все время работы не было отмечено ни одного отказа.

Описанная схема 5рис.2.3) оказалась простой и надежной, легко и быстро юстировалась и была безопасна в эксплуатации. Рациональное использование энергии лазерного излучения, простота и высокая точность подборки оптимальной экспозиции предметного и опорного лучей позволили отказаться от оптических усилителей.

2.1.1. Оптимизация резонатора рубинового лазера.

Для получения голограмм скоростного двухфазного потока необходимо, чтобы излучение лазера было одномодовым с большой длиной когерентности (см. Приложение I). Выбор такого режима. генерации осуществлялся рациональной схемой резонатора лазера. При отработки методики эксперимента было проведено исследование влияния конфигурации резонатора и расположения оптических элементов лазера на характеристики его излучения. Энергия излучения в этих опытах измерялась прибором ИКТ-1М, а временtri тох питаний aw.

У ИГ-fft +.

ПК ранен 2Pn-f^o.

Счетчик гэсзу.

— f —' кн-s ir-J.

3 1.

— 24V 1 ср едмял /поу&а г 3.

Разъем ЗРЯ-WP.

V i.

3 ¦ то у А? а .

Рис. 2.4. Основные узлы голокамеры и ее принципиальная электрическая схема ные характеристики излучения — коаксиальным фотоэлементом ФЭК-09, сигнал от которого подавался на осциллограф. Сам луч регистрировался на пленку Микрат-300 на расстоянии от выходного отражателя. Расходимость луча определялась по пятну на пленке Микрат-300, установленной в фокальной плоскости длиннофокусного объектива.

Опыты проводились на плоскопараллельном резонаторе и резонаторе, близком к полуконцентрическое 16, 49].

Первоначально выходным зеркалом служила полупрозрачная (47 $) пластина с диэлектрическим покрытием, которое быстро выгорало. Затем это выходное зеркало было заменено плоскопараллельной кварцевой пластиной, которая в дальнейшем ни разу не менялась.

Вторым отражателем служило плоское (в плоскопараллельном резонаторе) или сферическое (в полуконцентрическом) зеркала диаметром 40 мм. Плоскопараллельный резонатор более критичен к точности юстировки [69], а поскольку для голографирования двухфазного потока решающим фактором является надежность работы в условиях повышенной вибрации, окончательно был выЗран полуконцентрический резонатор.

Генерация коротких импульсов излучения обеспечивалась модулятором добротности резонатора [6, 69]. Без модулятора длительность импульса излучения составляла 400 мкс (режим свободной генерации), что не позволяло регистрировать скоростные объекты. Ввиду их простоты и надежности в работе, наиболее подходящими для наших целей оказались пассивные модуляторы на органических красителях [6]. Характеристики излучения существенно зависят от концентрации раствора красителя 22], которая подбиралась опытным путем до получения режима генерации одного импульса.

Возбуждение активного элемента лазера осуществлялось светом коаксиальной лампы-вспышки ИФПП-8000 (оптическая накачка). На нее подавался импульс большой энергии от конденсаторной батареи установки УИГ-1М [22]. Энергия этого импульса (энергия накачки) определяла характеристики излучения. При уменьшении энергии накачки ниже некоторого порогового значения генерация излучения не возникала. При увеличении энергии накачки над пороговой ухудшались характеристики излучения, могла возникнуть генерация двух и более моноимпульсов 122].

Из-за высокой степени параллельности торцов активного элемента лазера при энергии накачки 1880 Дж возникала генерация в плоскопараллельном резонаторе, образованном этими торцами («С-генерация», см. рис.2.3). Эта генерация не управлялась модулятором добротности (ее длительность 400 мкс), получаемое при этом излучение низкокогерентно и не могло использоваться для получения голограмм потока. Подобного типа паразитные генерации также мезду торцем активного элемента и сферическим зеркалом («А-генерация») и между торцем и выходным отражателем («В-генерация»). Управляемой (полезной) являлась лишь генерация между сферическим зеркалом и выходным отражателем («Ь-генерация»). Все указанные резонаторы обладали различной добротностью и, следовательно, различными порогами накачки.

Были проведены систештические исследования порогов различных генераций при различных конфигурациях резонатора, а также основных характеристик излучения, результаты которых приведены в табл.2.1.