Примеры потока

3.1 Гравитационный поток.

Рис. 5 Схема установки гравитационного потока с детальным изображением датчика справа.

Простой гравитационный поток используется для иллюстрации уровня детализации, которого можно достигнуть с помощью измерений потока, основанных на ТЭЁС. Воронка и цилиндрическая трубка диаметром в 0,0495 м были частично заполнены измеренным объёмом пластиковых шариков (рис. 5). Шарики удерживались шарообразным клапаном над датчиком ТЭЁС, соединённым с системой анализа потока Tomoflow R100, как показано на рис. 1. Датчик тот же, что был заявлен в опытах Яворски и Дьяковски. Система ТЭЁС была проверена путём постепенного заполнения её воздухом, а затем – шариками, чтобы задать ряд концентрации от 0 до 1. Когда клапан открыт, шарики проходят под действием гравитации из воронки через датчик и выход. Рисунок 3 показывает отношение концентрации и скорости ко времени для центральной зоны из карты 13 зон из рис. 2 для типичного теста с получением данных 200 рамок в секунду. Рисунок 6 показывает изображения поперечного сечения двух плоскостей в различные моменты времени. Первое время, равное 3,126 секундам, отмечено курсором на рис. 3. Из этих рисунков можно понять, что после того, как клапан открыт, плотная пробка из шариков падает к центру трубки примерно между 2,5 сек. и 3,2 сек. Чётко видно, как переходное время от последнего пика концентрации в верхней плоскости на 3,126 сек. прибавляется на нижней плоскости на 3,171 сек. – это та задержка, которая соответствует пику коррелограммы на 0,04 сек. внутри разрешения скорости рамки в 0,05 сек. Вслед за этим струя шариков движется следующие 4 секунды или около того до тех пор, пока воронка не опустеет.

Начальная скорость пробки примерно 2,8 м/с, и она поднимается до примерно 3,7 м/с. Это увеличение скорости согласуется с тем фактом, что нижние шарики падают примерно за 0,4 м до соприкосновения с верхней плоскостью датчика, тогда как верхние шарики падают примерно на 0,7 м. Шарики, падающие из воронки после первой пробки, показывают неуклонную скорость примерно в 3,7 м/с, и хотя сигналы едва различимы на изображениях распределения концентрации, они хорошо коррелируют между двумя плоскостями (рис. 3).

Рисунок 6. Изображения из теста гравитационного потока в разные моменты времени. Белое показывает твёрдые частицы, чёрное – воздух.

Объединив весь период потока между 2 и 8 секундами, мы получим объём в 2,335 л, сравнимый с реальным объёмом в 2,379 л, разница составляет 2%. Пробку между 2,5 и 3,2 сек. можно интегрировать отдельно, она показывает объём в 0,591 л. Этот объём соответствует цилиндру диаметром 0,0495 м и длиной 0,307 м, который является цилиндром, наполненным шариками, начиная верхней частью клапана и заканчивая верхней границей шариков внутри частично заполненной воронки (как показано светло-серым цветом на рис. 5). Дальше получается, что когда клапан открыт, то весь объём цилиндра, наполненного шариками, поддерживаемыми клапаном, как в цилиндрическом отделе, так и внутри воронки, устремляется как сплошная масса вниз через центр датчика. Оставшиеся внутри воронки шарики потом выходят тонкой струйкой наподобие струи песка в песочных часах с гораздо меньшей скоростью. Понимание этого типа поведения будет способствовать разработке промышленных загрузочных воронок или силосных башен, где вывод твёрдых частиц может быть затруднён.

3.2 Пневматическая транспортировка.

Рис. 7 Пневматическая транспортировка. График показывает концентрацию (левая шкала) и скорость (в см/с, правая шкала) для показанной зоны. Светло-серая линия показывает концентрацию в верхней плоскости, прерывистая серая линия показывает нижнюю плоскость. Скорость показана разъединённой чёрной линией (пунктирный отрезок показывает нисходящий поток, сплошной отрезок – восходящий поток). Круговые изображения ТЭЁС (чёрным отмечен воздух, белым – твёрдые частицы) показаны с неподвижными рамками с изображений высокоскоростной съёмки, показывающих схемы потока и концентрации в поперечном сечении с помощью программы CFX.

Рисунок 7 показывает схемы концентрации и скорости для восходящего потока пластиковых шариков, выдуваемых воздухом с интенсивностью 900 кг/ч. с внешней скоростью 2,6 м/с в пятидесятимиллиметровой трубке, как описано у Яворски и Дьяковски (2001), где ТЭЁС применялась как часть финансируемого Евросоюзом проекта CRAFT. Также показаны фотоснимки из высокоскоростной видеосъёмки и изображения поперечного сечения из системы ТЭЁС. Те же самые условия потока были смоделированы с помощью промышленного пакета программ вычислительной гидродинамики CFX 5.5.1, и для сравнения приведены изображения поперечного сечения концентрации. Детальный анализ различных данных на выходе показывает, что потоки в высокой степени сложны, что восходящие и нисходящие потоки сменяют друг друга во времени, даже если в среднем поток восходящий. Часто во время периода, отмеченного как «нисходящий поток», твёрдые частицы падают вниз по трубке в виде верёвок, огибающих трубку, часто с восходящими и восходящими потоками одновременно в разных физических локациях. Подобный тип поведения также наблюдается в эйлеровой модели вычислительной гидродинамики. Изображения ТЭЁС и наши вычисления скорости по зонам позволяют измерить скорость и местоположение с большей точностью, чем с помощью простой профильной двухмерной ускоренной съёмки. В следующем документе будет исследована польза ТЭЁС для подтверждения вычислительных моделей. ТЭЁС действительно предлагает одну из немногих экспериментальных техник, способных создавать трёхмерный вывод данных для сравнения с вычислениями в многофазных потоках.

Выводы

Мы описали систему анализа потока, основанную на ТЭЁС, где поток может быть разделён на число пользовательских зон. Внутри каждой зоны можно проследить соотношение концентрации и времени. Можно установить корреляцию, чтобы определить переходную скорость в каждый момент времени в каждой зоне. Для каждой зоны можно вычислить объём потока, интегрируя скорость концентрации в момент времени. Можно также легко вычислить общий объём, проходящий за любой период. Чтобы продемонстрировать, насколько много данных можно получить, используя этот подход, и что интегрированные объёмы потока вычисляются с точностью до 2%, были использованы примеры гравитационного потока. Систему анализа потока можно применять, чтобы исследовать детали сложных многофазных потоков. Результаты можно сравнить с теми, что получают при ускоренной съёмке, с теми, что получают методами вычислительной гидродинамики и комплексного расчёта общего потока. Эта система формирует основу для будущего массового производства промышленных расходомеров.