содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

2.3. Современные методы проведения экспериментов

Развитие способов внепечной обработки стали и расширение перечня задач, решаемых с ее помощью, потребовали, как известно, проведения серьезной предварительной проработки принимаемых технических решений, выполняемой с использованием физического и математического моделирования, а также средств вычислительной техники.

Успешное решение многих проблем, обусловленных трудностями непосредственного изучения физико-химических процессов, протекающих в реальных производственных агрегатах и сталеразливочных ковшах различной вместимости, напрямую связано с появлением и активным внедрением в практику специальных средств измерительной техники, позволивших реализовать оригинальные методики проведения лабораторных экспериментов при физическом моделировании исследуемых технологий повышения качества стали.

За прошедшие два десятилетия в методологии проведения лабораторных исследований произошли коренные изменения. Пройден путь от обычных визуальных наблюдений за протекающими в моделях физическими явлениями с зарисовкой траекторий движения потоков жидкости, моделирующей расплав, до непосредственного контроля основных параметров массообменных процессов и обработки получаемой информации па ЭВМ с использованием пакетов прикладных программ, что повысило точность, а следовательно, и практическую ценность результатов физического моделирования.

Определение времени гомогенизации жидкости. Одной из наиболее часто решаемых задач при физическом моделировании различных способов внепечной обработки стали является оценка интенсивности тепло-и массообменных процессов в жидкой ванне, подвергаемой внешнему воздействию.

Нахождение универсального критерия интенсивности перемешивания по-прежнему остается до конца нерешенной проблемой исследователей, занятых разработкой теоретических положений, позволяющих описать общими уравнениями физические явления, происходящие при взаимодействии потоков газа и жидкой стали.

В последнее время в технической литературе при оценке интенсивности перемешивания металла всё чаще используется такое понятие, как плотность энергии, подводимой в расплав, т. е. затраты энергии на тонну жидкой стали, потребовавшиеся для достижения необходимой степени перемешивания [3, 142, 173, 176]. Нетрудно заметить, что в конечном счете при прочих равных условиях (объем обрабатываемой стали в ковше, расход вдуваемого газа и обеспечиваемое при этом снижение неоднородности металла по температуре и химическому составу) эффективность исследуемого процесса определяется временем, в течение которого достигнут необходимый (или запланированный) результат. Поэтому разработка и совершенствование способов контроля времени полного перемешивания (гомогенизации) жидкости, моделирующей расплав, имеют большую практическую значимость, поскольку использование такой методики лабораторного эксперимента позволяет получить опытным путем информацию, характеризующую корректность выдвигаемых теоретических предположений.

Время гомогенизации жидкости в ходе лабораторных исследований может контролироваться с помощью температурного, оптического или химического методов.

Температурный метод предполагает ввод в перемешиваемую жидкость, имеющую температуру Т0, определенного количества нагретой до более высокой температуры Т1; жидкости и фиксацию промежутка времени, за который произойдет выравнивание температуры во всем объеме жидкой ванны.
 

Существует множество способов измерения температуры при помощи различных датчиков, отличающихся принципом действия. Наиболее

приемлемым для этой цели следует считать электронный термометр, структурная схема которого приведена на рис. 9. В состав такого термометра входит один или несколько датчиков температуры, усилитель, диалогово-цифровой преобразователь, объединенный с ЭВМ.

Существенным недостатком подобной измерительной системы является ее инерционность, из-за которой могут вноситься искажения в получаемые результаты при изучении быстродействующих процессов.

Экспериментальная установка для контроля времени гомогенизации оптическим методом, схематично представленная на рис. 10, включает сосуд с перемешиваемой жидкостью, капилляр для ввода красящего вещества, телекамеру и светильники.

Принцип этого способа контроля времени гомогенизации жидкости состоит в том, что о нем судят по времени распространения красителя по всему объему сосуда.

Рис. 10. Схема установки для контроля времени перемешивания жидкости оптическим методом:
1 - светильник; 2 - сосуд; 3 - капилляр; 4 - телекамера
 

Отсчет времени начинают с момента подачи первых порций цветной жидкости и заканчивают при полном рассредоточении ее на изображении, заснятом телекамерой. К недостаткам метода следует отнести необходимость замены моделирующей жидкости после каждого очередного измерения.

Суть химического метода заключается в том, что в одну из точек объема жидкости вводится определенное количество солевого раствора и затем с помощью специальных средств контролируется время, в течение которого происходит выравнивание концентрации введенного вещества во всем объеме перемешиваемой жидкой ванны.
 

Как видно из графиков на рис. 11, иллюстрирующих зависимость удельной проводимости у от концентрации С для растворов различного состава, при малой концентрации эта зависимость близка к линейной. Однако из-за усиливающегося взаимодействия анионов и катионов при повышении концентрации С зависимость удельной проводимости от нее значительно отличается от линейной и при определенном значении С появляется максимум проводимости. В качестве примера на рис. 12 показан график изменения удельной проводимости раствора серной кислоты при повышении его концентрации, Данные свойства водных растворов необходимо учитывать при разработке методик проведения экспериментов.

Основным принципом измерения удельной проводимости является электролиз, происходящий в растворе между помещенными в него двумя
 

Рис. 13. Конструкция щупа для измерения

удельной проводимости раствора

Рис. 14. Измерительная схема для контроля времени перемешивания жидкости

Материал электродов может оказать существенное влияние на характер поляризации. Наиболее часто применяемые для электродов материалы указаны в порядке возрастания склонности к поляризации: платина, покрытая неорганическими карбидами сталь, спеченный уголь, нержавеющая сталь. Рекомендуемое конструктивное исполнение щупа с вмонтированными электродами приведено на рис. 13. Электроды 1, изготовленные из  платиновой проволоки диаметром 0,3—0,5 мм, закреплены в

изоляционной вставке 2, герметично сочлененной с пустотелой державкой 3, внутри которой пропущены соединительные провода 4, припаянные к электродам.

Измерительная схема (рис. 14) для контроля времени перемешивания жидкости должна включать мост, два плеча которого образованы одинаковыми безындукционными сопротивлениями R1 и R2 по 3 кОм каждое, а к двум другим плечам подсоединены щупы R3 и R4. Переменное сопротивление R$ служит для балансировки моста перед началом измерений.

Мостовая схема должна питаться переменным током, поскольку напряжение постоянного тока вызывает заметную электролитическую реакцию, приводящую к уменьшению тока между электродами. Чаще всего применяется переменное напряжение 4 В, прикладываемое к одной из диагоналей моста. Напряжение, снимаемое с другой диагонали моста, подается на выпрямитель, к которому подключен самописец для регистрации электрического сигнала. Входящий в схему микроамперметр необходим для контроля балансировки моста и текущей записи сигнала.

Методика определения времени полного перемешивания жидкости, моделирующей расплав, заключается в следующем. Щупы помещаются в разные точки модели и закрепляются в штативах. При необходимости выполняется балансировка моста, в результате которой стрелка показывающего прибора должна точно находиться на нулевой отметке.

Затем самописец включается на запись и в перемешиваемую жидкость вблизи электродов одного из щупов вводится небольшое количество (3-4 см3) заранее подготовленного солевого раствора определенной концентрации. Сопротивление плеча, к которому подключен данный щуп, резко уменьшается, что вызывает разбаланс моста. Ток разбааланса через выпрямитель подачей на самописец. В этот момент на mi re самописца амплитуда регистрируемого сигнала будет иметь свое пиковое значение и затем с течением времени начнет уменьшаться по мере распределения концентрации раствора в зонах размещения электродов обоих щупов, т. е. данная измерительная схема позволяет кон-фолировать разницу концентраций раствора в двух удаленных точках.

Когда эта разница уменьшится до минимального значения, амплитуда записываемого сигнала также уменьшится практически до нуля. Таким образом, за время полного перемешивания жидкости принимается отрезок времени, в течение которого амплитуда записанного сигнала снижалась от пикового до минимального своего значения. Вид регистрируемого сигнала показан на рис. 15.

Благодаря неоспоримым преимуществам химического метода кон-| роля времени гомогенизации жидкости в сравнении с температурным и оптическим методами (большая точность, наглядность, удобство обработки записей) он получил наибольшее распространение.

Измерение скорости газовых и жидкостных потоков. Количественное описание полей скоростей и турбулентностей жидкостных систем, продуваемых газом, по общему мнению, представляет значительный теоретический и практический интерес при моделировании работы агрегатов сталеплавильного производства.

Основная трудность математического описания таких систем связана с проблемой определения границы раздела между зоной барботажа и основным объемом перемешиваемой жидкости [58].

Поскольку непосредственное изучение гидродинамических процессов, протекающих при перемешивании расплава в ковше, значительно затруднено из-за высокой температуры: и непрозрачности жидкого металла, основным методом их исследования пока остается холодное моделирование.

Рис. 15. Вид регистрируемого сигнала при контроле времени перемешивания жидкости химическим методом

Рис. 16. Трубка Пито

Экспериментальные исследования на физических моделях позволяют получить эмпирические данные, необходимые для проверки точности математических моделей, описывающих процессы массопереноса, влияющие на скорость протекающих в расплаве химических реакций.

Основные трудности, возникающие при проведении измерений в моделях сталеразливочных ковшей, обусловлены малыми скоростями движения жидкости, моделирующей жидкий металл (0,2-0,3 м/с), высокой степенью турбулентности, достигающей 50 %, а также образованием двухфазных потоков [52].

Используемые в настоящее время методы измерения скоростей потоков жидкости основаны на разных физических принципах. - Прандтля Очень важно иметь достаточно

полную информацию об измерительных системах, нашедших практическое применение в лабораторной практике, поскольку хорошие знания обо всех типах измерительных преобразователей позволяют решить задачу выбора наилучшим образом, что является залогом успешного проведения дальнейших исследований [14].

Самым простым в техническом обслуживании устройством для измерения скоростей потоков в текучих средах является трубка Пито -Прандтля, конструктивное исполнение которой показано на рис. 16.

Как видно из рисунка, в трубке имеется два типа отверстий, открытых для окружающего пространства. Через отверстие, ось которого перпендикулярна к направлению потока, воспринимается действие статического давления Рс движущейся среды. Отверстие, выполненное в центре конца трубки, воспринимает полное давление Р жидкости или газа, если трубка расположена параллельно потоку. Разность между полным и статическим давлениями текучей среды равна ее динамическому давлению Рд (или скоростному напору). В соответствии с уравнением Бернулли

В качестве образца оптико-механической системы, позволяющей регистрировать пульсации продольных скоростей по токов жидкости, может служить трубка

Д. И. Кумина, устройство которой показано на рис. 17. В состав прибора входит легкий, но жесткий стержень, на нижнем конце которого закреплен диск, вводимый в поток среды. Верхний конец стержня жестко связан с короткой гибкой балочкой, несущей миниатюрное зеркальце и линзу. Над линзой расположен кожух, а в его верхней части установлены источник света и экран из матового стекла.
 

Принцип работы этой измерительной системы заключается в следующем. Световой луч от источника света, отражаясь зеркальцем, попадает на матовое стекло. При воздействии потока среды на диск балочка изгибается, зеркальце поворачивается на определенный угол, в результате чего луч отклоняется в ту или иную сторону от нулевой точки. Отклонение луча прямо пропорционально скорости движения жидкости, воздействующей на диск, помещенный в поток. Оно может быть зафиксировано на фотобумаге. Собственная частота такого прибора в воде равна примерно 30 Гц при скорости потока v =70...80 см/с [79]. Основной недостаток рассмотренной оптико-механической системы состоит в том, что с ее помощью можно контролировать скорости потоков только в горизонтальной плоскости.

Весьма перспективным для измерений скоростей жидкостных и газовых потоков является использование тензорезисторных преобразователей - упругих элементов с наклеенными датчиками омического сопротивления, соединенными по мостовой схеме [41]. Эти устройства позволяют преобразовать измеряемую механическую величину, в данном случае скоростной напор потока, пропорциональный квадрату его скорости, в электрический сигнал, регистрируемый приборами. В зарубежной технической литературе такие преобразователи называют измерителями потока с тормозящим элементом [157].

На рис. 18 схематично изображена конструкция измерительного зонда, снабженного преобразователем указанного типа. Зонд включает плоский упругий элемент 5 с наклеенными фольговыми тензодатчиками, помещенный в герметичный стеклянный баллон 3, верхняя часть которого жестко соединена с полой штангой 4, предназначенной для его фиксации в нужном положении во время проведения измерений, а также вывода проводов, соединяющих контакты датчиков с блоком питания и регистрирующим прибором. Верхний конец упругого элемента защемлен, а нижний соединен с рычагом 1, вставленным в отверстие резинового колпачка 2, надетого на нижнюю часть баллона. На конце рычага 1 посредством резьбового соединения может крепиться либо круглая пластина 6 (в случае измерения горизонтальной составляющей скорости потока), либо перпендикулярно расположенное коромысло с такой же пластиной (при измерении вертикальной составляющей скорости). С целью устранения дополнительной деформации упругого элемента под действием силы тяжести коромысла последнее снабжено балансировочным контргрузом 7.

Рис. 18. Схема зонда для измерения скорости жидкостных потоков при контроле горизонтальной (а) и вертикальной (б) составляющих скоростей потока

Достоинством такого зонда является то, что его можно использовать в химически активных, электропроводных или загрязненных жидких средах. Он имеет хорошую частотную характеристику (верхняя граница частотного диапазона 100 Гц), Благодаря тому, что устройство подобного типа является измерителем двунаправленного действия, оно хорошо функционирует вблизи границы изменения направления потока. Однако при работе с ним необходимо учитывать частоту собственных колебаний упругого элемента, поскольку при определенных значениях измеряемой  скорости потока могут возникнуть автоколебания всей системы, в результате чего получаемые результаты измерений будут искажены. Между критическими значениями скорости и частотой собственных колебаний, по данным работы [26], существует зависимость

 

U=(1.3-1.4)fd

где f- собственная частота упругого элемента; d- диаметр круглой пластаны.

Стрела прогиба упругого элемента, а следовательно и значение снимаемого электрического сигнала, возникающего из-за разбалансировки моста сопротивлений, зависит от давления потока движущейся среды на приемный элемент зонда, геометрических параметров кинематической системы преобразователя и модуля упругости материала элемента. При использовании фольговых тензодатчиков с сопротивлением 150-170 Ом, чувствительных регистрирующих приборов и оптимальном соотношении размеров элементов кинематической системы преобразователя минимальное значение скорости движения жидкости, регистрируемое с его помощью без усиления сигнала, составляет 0,2 м/с. В случае необходимости замера более низких скоростей жидкостных потоков измерительная схема должна включать усилитель.

На достоверность получаемых данных при использовании данного зонда в значительной мере влияет способ тарировки тензорезисторного преобразователя. Оптимальный вариант конструкции вспомогательного устройства для выполнения тарировки преобразователя показан на рис. 19. Устройство включает заполненную жидкостью емкость цилиндрической формы 6, по центру которой на опорной стойке 5 размещен мотор-редуктор 4. На выходном валу редуктора закреплена направляющая штанга 3, несущая ползун 2, предназначенный для фиксации на требуемом удалении от оси вращения вала редуктора тарируемого зонда 1. С помощью такого устройства, изменяя частоту вращения выходного вала редуктора и удаление зонда относительно центра его вращения, при тарировке удастся существенно увеличить в рассматриваемом диапазоне число фиксированных значений скорости перемещения приемного элемента зонда относительно жидкости и тем самым повысить точность построения графика тарировочной зависимости.

Если для регистрации измеренных значений скорости потока используют аналого-цифровой преобразователь в комплексе с ПЭВМ, полученная тарировочная зависимость должна быть занесена в память машины.

В целях предотвращения выхода из строя применяемой аппаратуры и облегчения обработки результатов экспериментальных исследований при работе с зондом рекомендуется следующий порядок проведения измерений скорости потоков. Подключенный к усилителю в соответствии со структурной схемой, приведенной на рис. 21, зонд размещают таким образом, чтобы его приемный элемент находился в том месте жидкой ванны, где необходимо измерить скорость потока. Если исследуется процесс перемешивания, то запись сигнала начинают одновременно с началом процесса перемешивания жидкостной системы. Продолжительность записи устанавливают в пределах 10-25 с. (анершение записи должно быть не в момент прекращения внешнего но (действия на перемешиваемую жидкость, а при ее полном успокоении. Благодаря такой последовательности выполнения операций зарегистрированный сигнал будет иметь вид, показанный на рис. 22. Программные средства интерфейса должны обеспечивать вычисление частного от депения вычисленной площади участка (II) на его длину l.

Данная методика позволяет с достаточной для практического применения точностью регистрировать при физическом моделировании процессов перемешивания расплавов скорости жидкостных потоков в диапазоне 0,05-0,60 м/с.

Для измерения скорости циркулирующей жидкости без особых технических затруднений может быть использован такой электромеханический датчик, как механотрон, предназначенный для преобразования механических величин в элесктрические. Благодаря высокой чувствительности механотроны позволяют регистрировать перемещения и давления с точностью соответственно до 0,01 мкм и 0,1 Па.

Они обладают стабильностью и надежностью показаний при малых габаритах[81].

 

Рис. 21. Структурная схема включения преобразователя в измерительную схему
 

Рис. 22. Вид регистрируемого сигнала при измерении скорости жидкостных потоков с помощью зонда

Схема механотропа приведена на рис. 23. Принцип его работы состоит в том, что один или несколько электродов под механическим воздействием могут перемещаться относительно неподвижного катода. При этом изменяется   анодный ток.

Закрепив на конце молибденового стержня круглую пластинку определенного диаметра, обеспечив надежную изоляцию электрических вводов и выводов, механотрона и включив его в мостовую схему, можно получить достаточно надежную измерительную систему. Опуская стержень с круглой пластинкой в поток жидкости, можно контролировать скоростной напор потока, а следовательно, и его скорость.

Особого внимания среди средств контроля скорости жидкостных потоков заслуживают устройства, обеспечивающие определение локальной скорости жидкости путем измерения количества тепла, рассеиваемого специальным нагревательным элементом при обтекании его потоком. Такие устройства, получившие название термоанемометров, широко используются в измерительной технике и выпускаются в различных исполнениях несколькими зарубежными фирмами [15, 137].

В качестве нагревательного элемента в термоанемометре в зависимости от текучей среды, скорость которой контролируют, может использоваться вольфрамовая проволока, термистор или тонкая металлическая пленка на подложке. На рис. 24 схематично показаны два варианта конструктивного исполнения нагревательных элементов.
 

У первого термоанемометра чувствительный элемент представляет собой вольфрамовую проволоку диаметром 2-5 мкм, закрепленную в двух изолирующих втулках, вмонтированных в керамический корпус.

Нагревательный элемент второго термоанемометра выполнен в виде тонкой платиновой пленки, нанесенной на изолирующую подложку путём напыления.

Принцип действия термоанемометра основан на том, что при пропускании электрического тока через его нагревательный элемент последний начинает ежесекундно выделять в окружающую среду количество тепла, определяемое выражением

q = I*I*R

Где I -электрический ток, проходящий через элемент; R - сопротивление 1 цемента.

Если текучая среда под воздействием каких-либо факторов придет в движение, то существующее тепловое равновесие между нею и нагревательным элементом нарушится из-за увеличения интенсивности теплосьема зa счет омывания элемента потоками среды, в результате чего изменится го сопротивление (в сторону уменьшения в случае использования проволочных и пленочных элементов или в сторону увеличения при применении термисторов). Это связано с различием знаков температурных коэффициентов сопротивления указанных элементов. На рис. 25 и 26 приведены зависимости сопротивлений некоторых материалов и типичного термистора и температуры. Изменение сопротивления элемента приведет, естественно, к изменению падения напряжения на нем, которое будет пропорционально  скорости потока среды, омывающей нагревательный элемент.
 

Практика использования указанных термоанемометров показала, что проволочный нагревательный элемент благодаря малым размерам имеет

малую инерционность и высокую разрешающую способность, однако в сравнении с тонкопленочным элементом менее прочен и очень часто выходит из строя под механическим воздействием потока.

Общим недостатком всех типов термоанемометров является невозможность получения с их помощью без применения специальных конструктивных решений информации о направлении потоков. Установка нагревательных элементов в трубке, как это показано на рис. 27, приводит к значительному увеличению размеров измерительной системы и, как следствие, к искажению естественной картины распределения циркуляционных контуров.

Измерение пульсаций скоростей в жидкости методом скоростной киносъемки до недавнего времени считалось наиболее точным. Применение данного метода предполагает ввод в исследуемый объем жидкости .специальных веществ или мелких частиц, обеспечивающих ее визуализацию. Для этой цели могут использоваться смесь вазелина с хлорбензолом [79] или мелкие частицы в виде шариков, приготовленных из расплавленной смеси парафина с густотертыми цинковыми белилами [163]. Указанные смеси имеют плотность, равную плотности воды, и обладают высоким коэффициентом отражения, благодаря чему они передвигаются вместе с ней и при выполнении определенных требований достаточно воспроизводят траекторию потоков.

Для фиксации на кинопленке этих частиц необходимо обеспечить хорошую освещенность снимаемых кинокамерой зон перемешиваемой жидкой ванны. Подсветку исследуемых сечений циркулирующих потоков жидкости осуществляют с помощью светового “ножа” - плоского луча, образующегося при прохождении света мощных ламп через узкую щель в непрозрачном экране, установленном между ними и исследуемой моделью.
 

Рис. 27. Схема размещения нагревательного элемента термоанемометра в измерительной трубке:
1 - направляющая трубка; 2 -нагревательный элемент; 3 -выводы:; 4 - держатель

Скорость киносъемки зависит от динамики изучаемых процессов. При скорости потоков до 0,5 м/с рекомендуемая скорость съемки 64-200 кадров за секунду. Если скорость движения жидкости находится в

пределах 1,5-2,5 м/с, то скорость съемки должна составлять 600-1000 кадров за секунду [79, 134].

Требуемый размер частиц, вводимых в жидкость для визуализации потоков, зависит от поставленных задач исследований. Например, для получения общей картины крупномасштабных циркуляционных вихрей размеры частиц должны быть в пределах 0,5-3,0 мм. В случае необходимости получения информации о микроструктуре турбулентных потоков требуется применение мелкодисперсных частиц, размеры которых на порядок меньше размеров турбулентных возмущений. Указанному требованию в полной мере отвечает обезжиренная алюминиевая пудра [157].

Очень близким по сути к методу скоростной киносъемки является фотометод, поскольку для их реализации используются аналогичные системы подсветки и способы визуализации жидкостных потоков. Отличаются эти методы лишь формой представления и способом обработки получаемой информации. Так, в случае применения скоростной киносъемки о скорости потока судят по изменению местоположения частицы на изображениях, зафиксированных на кадрах кинопленки за время смены этих кадров с учетом масштаба съемки. При использовании фотометода изображение частиц на фотопленке выглядит в виде тонкого следа, длина траектории которого пропорциональна скорости потока и времени депозиции. Определение скорости визуализированного течения в этом случае сводится к измерению длины траектории и угла ее отклонения от оси потока. Мгновенные значения вертикальной и горизонтальной составляющих Uг  скорости частицы рассчитываются по формулам


 

где L - измеренная длина изображения траектории; a - угол между отрезком траектории частицы и осью потока в вертикальной плоскости; М-масштаб съемки; t- время экспозиции.

Для облегчения обработки результатов измерений, получаемых фотометодом, рекомендуется применять временные метки изображений траекторий движения частиц, которые можно получить либо с помощью обтюратора - диска с определенным числом отверстий или лопастей, вращающихся со строго определенной угловой скоростью перед фотообъективом, либо с использованием оптического квантового генератора| изменяемой частотой излучения. В обоих случаях на изображениях

траектории частиц будут выглядеть в виде пунктирных линий, разделенных темными временными метками на несколько отрезков.

К достоинствам фотометода и скоростной киносъемки следует отнести возможность дистанционного измерения исследуемого параметра, благодаря чему не вносятся искажения в структуру потоков, а также удобство обработки полученной информации.

Существенным недостатком обоих методов является большая трудоемкость считывания информации, требующая покадрового просмотра увеличенных изображений для измерения длины и угла наклона траекторий.

Одним из последних достижений в области развития измерительной техники, используемой для контроля скорости жидкостных потоков при проведении лабораторных исследований различных способов внепечной обработки стали, следует считать применение доплеровских лазерных анемометров, реализующих эффект рассеяния лазерного луча взвешенными в движущейся жидкости частицами. Следует, однако, отмстить, что успешное использование лазерного устройства для одновременного получения информации как о значениях, так и о направлении скоростей циркулирующей в сосуде жидкости, моделирующей расплав, стало возможным лишь после разработки специальных прикладных программ, с помощью которых удалось автоматически получать при ширине растра в 50 мм большое количество значений (до 500) измеряемой величины для дальнейшей обработки в компьютере.

Схема такой измерительной системы показана на рис. 28. В ней используется однокомпонентный аргонный лазер мощностью 1,2 Вт. В измерительной системе оптическая частотная информация преобразуется фотомультипликатором в электрический сигнал и подается в компьютер. Специальная оптическая система позволяет определить абсолютное значение скорости введенных в жидкость микрочастиц в каждом из трех направлений, а затем пугем сложения векторных компонент получить общий вектор скорости частицы, движущейся со скоростью жидкостного потока [178].

Данный бесконтактный способ измерения скоростей потоков жидкости позволяет избежать внесения дополнительных возмущений в наблюдаемую картину циркулирующих потоков, обеспечивает быструю автоматическую обработку результатов измерений, однако требует использования довольно дорогостоящей аппаратуры и специального программного обеспечения.
 

Как видно из проведенного анализа известных измерительных систем, для регистрации значений скоростей жидкости при проведении исследований на гидравлических моделях используется широкий ассортимент аппаратуры. При организации экспериментальных работ, связанных с физическим моделированием гидродинамических процессов, средства измерений должны выбираться с учетом характеристик потока, подлежащих контролю.

Контроль газосодержания двухфазного потока. Одной из важнейших характеристик двухфазного газожидкостного барботажного слоя является его газосодержание, по значению которого можно оценить гидродинамические условия протекающего процесса перемешивания, а также рассчитать среднее время пребывания жидкости и газа в зоне циркуляции.

Известные методики изучения двухфазных потоков, позволяющие получить информацию об особенностях газосодержания в поперечном сечении модели ковша, по своей сути весьма разнообразны. Из всей совокупности этих методик наибольший практический интерес представляют только две. Первая, изложенная в работе [53], предполагает использование специального зонда, работающего в режиме изокинетического отбора проб газожидкостной смеси. Схема лабораторной установки, позволяющей реализовать рассматриваемую методику, приведена на рис, 29.
 

Рис. 28. Схема измерительной системы для контроля жидкостных потоков с использованием лазерного анемометра
 

Отбор проб в приемный канал зонда осуществляется со скоростью, равной скорости смеси вне зонда. Для предотвращения забивания импульсных отверстий зонда жидкостью через них в газожидкостный поток с помощью вентилятора подается с постоянным расходом небольшое количество воздуха. Изокинетический режим отбора проб устанавливается путем выравнивания статических давлений внугри и вне зонда вблизи его входного отверстия.

Необходимые для расчета газосодержания потока массовые расходы барботируемой жидкости и газа, проходящих через поперечное сечение зонда, контролируются соответственно по количеству жидкости, отделяемой в единицу времени в сепараторе, и по показаниям расходомера.

Несколько иначе задача определения газосодержания циркулирующей при продуве газом жидкости решена авторами работы [71]. На рис. 30 приведена принципиальная схема разработанной ими экспериментальной установки. В ее состав входят сосуд с деионизированной водой, система подачи очищенного воздуха к соплу, установленному в днище сосуда, а также двухполюсный элсктрорезистивный датчик, который можно перемещать относительно сосуда в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Датчик подключен к компьютеру.

Электрорезистивный двухполосный датчик, конструкция которого показана на рис. 31, позволяет проводить непрерывные измерения газосодержания в локальной области. Датчик снабжен двумя чувствительными элементами в виде игл из нержавеющей стали, установленных в изоляторе, закрепленном в держателе. Общий для обоих чувствительных элементов эталонный электрод, представляющий собой полоску из коррозионностойкой стали, закрепляется на стенке сосуда.

Рис. 29. Схема лабораторного стенда для контроля газосодержания барботируемой жидкости:
I - зонд; 2, 4, 12 - дифференциальные манометры; 3, 8 -расходомеры; 5, 9 - вентили; 6 - вентилятор; 7 - эжектор; 10-еепаратор; 11 - кран

 

Рис. 30. Схема лабораторной установки для изучения структуры газожидкостных потоков:
I — печатающее устройство; 2 - ЭВМ; 3 - счетчик-таймер; 4 ~ генератор задержки импульсов; 5 - цифровой анализатор; б - осциллограф; 7 — модуль подготовки сигнала; 8 -эталонный электрод; 9 - электрорезистивный датчик; 10- расходомер

Подключение датчика к компьютеру осуществляется через блок подготовки и логический блок, а также с помощью интерфейса, снабженного счетчиком-таймером с разрешающей способностью 1 мкс. Благодаря специальному программному обеспечению данная измерительная система анализирует электрические сигналы в режиме реального времени. Информация о локальном газосодержании в виде сигналов поступает от нижней иглы датчика. При этом локальное газосодержание определяется как вероятность нахождения кончика нижней иглы в газовой фазе. Усредненное по площади газосодержание в поперечном сечении сосуда получается интегрированием профиля кривой газосодержания по всей площади этого сечения.

Завершая рассмотрение методик определения важнейших параметров тепло- и массообменных процессов, необходимо отметить два важных момента. Во-первых, следует помнить, что при выборе способа и средств контроля параметров определяющим фактором в конечном счете будет уровень имеющейся в распоряжении исследователя материально-технической базы. Во-вторых, опираясь на опыт использования известных методов контроля исследуемого параметра, необходимо учитывать то обстоятельство, что даже самая новейшая методика не может в полной мере учесть всего многообразия особенностей проведения опытов на физических моделях, поэтому при подготовке лабораторной базы к выполнению исследований необходимо стремиться внести элементы новизны в известные технические решения для повышения эффективности применения измерительных систем.