КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-21-20029

НазваниеВлияние коалесценции на средний диаметр пузырьков газа и заполненность пузырькового слоя в газожидкостном потоке в плоском наклонном канале и в наклонной трубе

РуководительКашинский Олег Николаевич, Доктор физико-математических наук

Прежний руководитель Рандин Вячеслав Валерьевич, дата замены: 28.06.2022

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2023 г.

Конкурс№65 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс).

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-311 - Гидромеханика многофазных сред

Ключевые словаплоский канал, труба, газожидкостный поток, пузыри, коалесценция, трение на стенке, коэффициент теплообмена, скорость жидкости, локальное газосодержание

Код ГРНТИ30.17.02

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Пузырьковые турбулентные потоки широко распространены в теплоэнергетике, в атомной энергетике, химической и микробиологической промышленности и других областях. Корректное описание поведения потоков, в том числе распределения газовой фазы по сечению канала, распределение диаметров пузырей и значения компонент скорости, имеет большое значение для увеличения надежности оборудования и предотвращения внештатных ситуаций. Несмотря на повсеместное использование компьютерного моделирования, роль экспериментальных исследований остается по-прежнему весьма важной. Сложность структуры газожидкостных потоков часто требует использования эмпирических данных для моделирования и теоретического описания процессов, что делает экспериментальное изучение газожидкостных потоков актуальной. Данная работа посвящена экспериментальному изучению влияния коалесценции на средний диаметр пузырьков газа и заполненность пузырькового слоя в газожидкостном потоке в наклонной трубе и в плоском наклонном канале. Исследования охватывают широкий диапазон режимных параметров: расход газа 0,003-0,083 л/с, расход жидкости 0,316-0,829 л/с. Угол наклона канала варьируется от 30° до 60°, т.к. в этом диапазоне наблюдается значительное усиление теплообмена и трения на стенке за счет добавления газовой фазы в поток жидкости. Выполнение проекта внесет вклад в понимание процессов в пузырьковых потоках; сравнение полученных результатов для различных геометрий канала внесет понимание в степень влияния формы канала на газожидкостные потоки.

Ожидаемые результаты
Планируется провести комплексное экспериментальное исследование гидродинамической структуры дисперсного газожидкостного течения в наклонной трубе и в плоском наклонном канале. Будут получены гистограммы распределения диаметров пузырей при различных углах наклона и режимных параметрах течения в плоском наклонном канале и наклонной трубе. Для газожидкостных потоков ориентация канала оказывает значительное влияние на характер газожидкостного потока, в том числе значительно увеличиваются значения трения и теплообмена в диапазоне углов от 30° до 60°. Крупномасштабные пузыри могут приводить к неоднородности перемешивания потока и неравномерного отвода тепла от нагреваемой поверхности из-за пульсаций и. Это делает исследования диаметров газовых пузырей для различных наклонов каналов важными для увеличения надежности проектируемых установок, в том числе в области химической и микробиологической промышленности, в атомной энергетике и при совместном транспорте нефти и газа. Будут получены распределения диаметров пузырей на различных расстояниях от места ввода газа в поток жидкости для наклонной трубы и наклонного плоского канала. Полученные данные позволят внести понимание в во вклад коалеценции вблизи места ввода газа в поток жидкости и о коалесценции по пути следования вдоль стенки канала. Сравнение результатов для круглой наклонной трубы и наклонного плоского канала позволит оценить степень влияния геометрии на распределение диаметров пузырей. Будут получены данные о компонентах скоростей для пузырькового потока в плоском наклонном канале и наклонной трубе. Будет проведена оценка влияния формы канала на компоненты скорости пузырей. Полученные данные могут быть использованы для верификации численных моделей для газожидкостных течений в каналах с различной геометрией. Будут получены экспериментальные данные по скорости всплытия отдельных пузырей и групп пузырей вблизи наклонной стенки при различных углах наклона. Группы пузырей могут приводить к значительным отклонениям в стабильной работе энергетических аппаратов. Нахождение наиболее вероятных режимов течения, при которых появляются подобные эффекты, позволит проектировать более надежные установки и уменьшить вероятность внештатных ситуаций. Полученные результаты внесут вклад в понимание физики процессов в газожидкостных потоках и послужат основой для верификации численных расчетов. Полученные экспериментальные данные будут оригинальными и не имеющими аналогов в исследованиях других научных групп.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Были получены новые экспериментальные данные о распределении размеров газовых пузырей и о среднем размере газовых пузырей в газожидкостном течении в плоском наклонном канале (угол наклона 30-60 градусов, числа Рейнольдса 4500÷22 700, объемное расходное газосодержание до 2,5%). Показано, что для больших скоростей жидкости и малых расходах газа динамика пузыря определяется движением жидкости. При снижении расхода жидкости вклад пузырьков в движение возрастает. Получены новые экспериментальные данные о всплытии пузырей от одиночного капилляра в неподвижной жидкости в наклонной трубе. Построены карты режимов, в которых происходит формирование устойчивых кластеров-цепочек из пузырей одинакового диаметра. Получены распределения размеров пузырей, значения средних диаметров и скоростей пузырей в наклонной трубе для широкого диапазона установочных параметров (угол наклона 30-60 градусов, расход газа 3,0-5,5 мл/мин, расстояние от места ввода газа до оптической секции 100-600 мм). Проведены установочные эксперименты для определения распределения размеров пузырей, среднего значения пузырей и скорости всплытия в потоке жидкости в наклонной трубе для различных режимных параметров пузырькового течения. Результаты выполненных работ в 2022 году приняты к публикации в виде 1 научной статьи в журнале (Q2), представлены на всероссийской и международной конференциях.

Публикации

1. Гореликова А.Е., Кашинский О.Н., Чинак А.В. ВЛИЯНИЕ УГЛА НАКЛОНА НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРОВ ГАЗОВЫХ ПУЗЫРЕЙ В НЕПОДВИЖНОЙ ЖИДКОСТИ В НАКЛОННОЙ ТРУБЕ Сибирское отделение РАН, Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодых ученых. Труды конференции, С. 59-62 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.53954/9785604859551_59

2. Гореликова А.Е., Рандин В.В. Чинак А.В. Effect of the angle of pipe inclination on average size and size distribution of gas bubbles injecting from a capillary to liquid Interfacial Phenomena and Heat Transfer, - (год публикации - 2022)

3. Гореликова А.Е., Рандин В.В., Чинак А.В. APPLICATION OF THE SHADOW METHOD TO STUDY THE TRANSFER OF THE GAS PHASE IN A GAS-LIQUID BUBBLE FLOW IN AN INCLINED CHANNEL Издательство Сибирского отделения РАН, Том 2, стр. 62-63, INTERNATIONAL CONFERENCE ON THE METHODS OF AEROPHYSICAL RESEARCH August 8 – 14, 2022 Novosibirsk, Russia (год публикации - 2022) https://doi.org/10.53954/9785604788974_62

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Получены новые экспериментальные данные о всплытии пузырей от одиночного капилляра в неподвижной жидкости в наклонной трубе. Получены распределения расстояний между отдельными пузырями. На основании данных о размерах пузырей и расстоянии между отдельными пузырями возможно автоматизировать определение формирования устойчивых структур, в том числе с помощью нейросетей и компьютерного зрения. Получены экспериментальные данные о размере газовых пузырей в наклонной трубе и наклонном канале для широкого диапазона режимных параметров. Показано, что для малых расходов газа влияние угла наклона канала компенсируется за счет коалесценции, а при увеличении скорости расхода газа уменьшение отрывного диаметра вносит меньший вклад с средний размер газовых пузырей из-за активной коалесценции по пути следования вдоль наклонной плоскости. Результаты выполненных работ в 2023 году приняты к публикации в виде 2 научных статей, представлены на всероссийской конференции.

Публикации

1. Гореликова А.Е., Кашинский О.Н., Чинак А.В. ФОРМИРОВАНИЕ КЛАСТЕРОВ-ЦЕПОЧЕК ПРИ ДВИЖЕНИИ ПУЗЫРЕЙ ОТ ОДИНОЧНОГО КАПИЛЛЯРА В НАКЛОННОЙ ТРУБЕ ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.15372/PMTF202315357

2. Гореликова А.Е., Кашинский О.Н., Чинак А.В. ФОРМИРОВАНИЕ КЛАСТЕРОВ-ЦЕПОЧЕК ПРИ ДВИЖЕНИИ ПУЗЫРЕЙ ОТ ОДИНОЧНОГО КАПИЛЛЯРА В НАКЛОННОЙ ТРУБЕ АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕПЛОФИЗИКИ И ФИЗИЧЕСКОЙ ГИДРОГАЗОДИНАМИКИ Сборник трудов: XVII Всероссийской школы-конференции. Оргкомитет: Д.М. Маркович [и др.]. Новосибирск, 2023, Статья в сборнике трудов конференции, 2023, с. 12-15 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.53954/9785604859773_12

3. Гореликова А.Е., Рандин В.В., Чинак А.В., Кашинский О.Н. The Effect of the Angle of Pipe Inclination on the Average Size and Velocity of Gas Bubbles Injected from a Capillary into a Liquid Water (Switzerland), 15(3), 560 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/w15030560

4. Гореликова А.Е., Кашинский О.Н., Чинак А.В. Исследование зависимости размера и скорости пузырей от одиночного капилляра в наклонной трубе Сборник тезисов: Всероссийская конференция «XXXIX Сибирский теплофизический семинар», 28 – 31 августа 2023, Новосибирск, Сборник тезисов: Всероссийская конференция «XXXIX Сибирский теплофизический семинар», 28 – 31 августа 2023, Новосибирск, стр.133 (год публикации - 2023)

5. Гореликова А.Е., Кашинский О.Н., Чинак А.В. Формирование кластеров-цепочек при движении пузырей от одиночного капилляра в наклонной трубе Сборник тезисов: XVII Всероссийской школе-конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», 19 – 24 августа 2023, Шерегеш, Сборник тезисов: XVII Всероссийской школе-конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», 19 – 24 августа 2023, Шерегеш, стр. 20 (год публикации - 2023)

6. Гореликова А.Е., Кашинский О.Н., Чинак А.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ПУЗЫРЕЙ В ПОТОКЕ ЖИДКОСТИ В НАКЛОННОЙ ТРУБЕ Сборник тезисов: VIII Всероссийская конференция «Теплофизика и физическая гидродинамика» (ТФГ2023), 4 – 10 сентября 2023, Махачкала, Сборник тезисов: VIII Всероссийская конференция «Теплофизика и физическая гидродинамика» (ТФГ2023), 4 – 10 сентября 2023, Махачкала, стр.44 (год публикации - 2023)

Возможность практического использования результатов
не указано