Экспериментальное исследование гидродинамики в закрученном потоке. Обобщение опытных данных

Глава 3. Экспериментальное исследование гидродинамики в закрученном потоке. Обобщение опытных данных

3.1. Гидравлическое сопротивление в опытах без нагрева

В отсутствие нагрева на рабочих участках № 1–3 (рис. 2.7–2.9) получены опытные данные о потерях давления в зависимости от массового расхода воды. При постоянном давлении на входе изменялся массовый расход теплоносителя через рабочий участок. Осреднение первичных  опытных данных проводилось по 30 и более измерениям в каждом режиме. При этом было выполнено несколько серий опытов, подтверждающих воспроизводимость результатов. Исследования проведены в диапазоне массовых скоростей rw=340 - 23600 кг/(м²×с), для лент с коэффициентом закрутки потока для рабочего участка № 1  k = 0.90, 0.66, 0.39, 0.25 и 0 (прямая лента), а также для трубы без ленты; для рабочего участка №2 при k = 0.37, 0.19, 0 и для трубы без ленты; для рабочего участка №3 при k = 0.49 и без ленты.

На рис. 3.1 представлены первичные осредненные опытные данные для рабочего участка №1 в виде зависимости потерь давления от массового расхода воды (соответствующий диапазон изменения массовой скорости rw = 1000 - 12000 кг/(м²×с)) для лент с разным коэффициентом закрутки. Потери давления существенно растут с увеличением расхода жидкости, при этом наглядно проявляется расслоение по коэффициентам закрутки. Для представленных на рис. 3.1 данных температура воды на входе поддерживалась постоянной Т_ж » 20 ^оС. На рис. 3.1 измеренный перепад давлений ∆р_пол  на рабочем участке №1 включает потери на местных сопротивлениях. Это              (см. рис. 2.4) – потери давления на гильзах термопар, выступающих до оси потока; конфузоре и диффузоре; трубах петли гидравлического контура; на входе и выходе участка трубы с лентой; а также в результате сообщения потоку вращательного движения. После учета местных сопротивлений согласно рекомендациям [161, 7] получены потери давления непосредственно на трубе, содержащей скрученную ленту:

∆р_тр =∆р_пол – ∆р_мест.

На рис. 3.2 представлена зависимость ∆р_тр(G), на которую нанесена соответствующая кривая для гладкой трубы без вставки, рассчитанная с использованием формулы Г.К. Филоненко [162] для коэффициента гидравлического сопротивления:

.                                    (3.1)

Рис. 3.1. Измеренные на рабочем участке № 1 потери давления в зависимости от массового расхода для лент с разным коэффициентом закрутки

Рис. 3.2. Измеренные на рабочем участке № 1 потери давления в трубе, содержащей скрученную ленту, в зависимости от массового расхода для разных коэффициентов закрутки

Совпадение экспериментальных данных по потерям давления в трубе без ленты с рассчитанными по формуле (3.1), свидетельствует о корректности проводимых измерений, должном учете потерь на местных сопротивлениях и достоверности полученных экспериментальных данных. Данные по потерям давления для коэффициентов закрутки k = 0,39 и k = 0,25 совпадают в пределах погрешности измерений. Это означает, что относительно небольшие изменения потерь давления для этих лент неразличимы в условиях эксперимента на фоне дополнительных потерь давления на местных сопротивлениях. Подобные результаты, полученные в [14], где данные по потерям давления для лент с k = 0,34 и k = 0,16 совпали в пределах погрешности измерений, позволили авторам [14], сделать вывод об отсутствии влияния закрутки потока на потери давления при k £ 0,34. 

Недостатки конструкции рабочего участка №1, связанные с расположением отборов давления, были учтены при изготовлении рабочих участков №2 и №3 введением дополнительных отборов давления. Вместе с тем, измерения потерь давления, выполненные на РУ № 1, отличает достаточная надежность. На рис. 3.3 представлены экспериментальные данные о зависимости потерь давления на РУ № 1 от температуры теплоносителя на входе. Вследствие значительного изменения коэффициента динамической вязкости в данном интервале температур, потери давления оказываются бóльшими при меньших температурах, что хорошо видно по результатам измерений, представленных на рис. 3.3. При изменении температуры воды на входе от 25 ^оС до  60 ^оС потери давления уменьшаются до 20%.

Рис. 3.3. Потери давления на рабочем участке №1 при различной температуре жидкости на входе для ленты с коэффициентом закрутки k = 0,39

Первичные опытные данные, в виде зависимости потерь давления, измеренных на дополнительных отборах давления (рис. 2.4) от массовой скорости жидкости, представлены на рис. 3.4 для рабочего участка № 2, а на рис. 3.5 для рабочего участка № 3. Как видно из рис. 3.4 и 3.5  наличие ленты приводит к заметному росту потерь давления. Для данных рис. 3.4  можно отметить слабое увеличение потерь давления в закрученном потоке при использовании лент с коэффициентом закрутки k = 0.37 и 0.19.

Рис. 3.4. Потери давления на рабочем участке № 2 в зависимости от массовой скорости при Т_ж » 25 ^оС

Рис. 3.5. Потери давления на рабочем участке № 3 в зависимости от массовой скорости при Т_ж » 20 ^оС