Введение 4
1. Методы разрушения льда 6
1.1 Разрушение льда портовыми ледокольными буксирами 6
1.2 Барботажные системы для предотвращения нарастания льда 7
1.3 Сток отработанных вод 8
1.4 Потокообразователи 8
2. Барботажные установки для борьбы с нарастанием льда 10
2.1 Опыт эксплуатации барботажных установок в Канадской
Арктике. 10
2.2 Численное моделирование для задачи о топлении льда с
использованием барботажа 11
2.3 Экспериментальное исследование барботажа в Гренландии 12
3. Исследование параметров барботажа 15
3.1 Постановка задачи 15
3.2 Математический аппарат теории размерностей и подобия 16
3.3 Анализ размерностей 18
3.4 Разработка установки для исследования параметров барботажа и
постановка лабораторного эксперимента 25
3.5 Результаты исследования для одиночного пузырька 28
3.6 Результаты исследования для потока пузырей при расходе
воздуха 0,06 - 0,6 л/мин 32
3.7 Результаты исследования для потоков воздуха при расходах 5 -12,5 л/мин. 39
Заключение 45
Список литературы 47
В настоящее время идет активное освоение морей российской Арктики, в частности, строятся и проектируются порты на Карском море и море Лаптевых. Эти порты создаются с целью обеспечения добычи и транспортировки углеводородов, что приведет к увеличению судооборота. Для этого необходимо обеспечить круглогодичную навигацию. Одной из актуальных проблем для навигации в портах замерзающих морей является нарастание льда.
Для разрушения льда на портовых акваториях применяются различные методы. Традиционным способом разрушения льда для проводки судов являются ледоколы. Для борьбы с нарастанием льда могут использоваться отработанные воды охладительных систем, а для удаления льдин от портовых сооружений применяются потокообразователи. Одним из способов предотвращения нарастания льда на портовой акватории, особенно вблизи причалов, является установка барботажной системы.
Система состоит из труб с отверстиями, проложенных по морскому дну и присоединенных к воздушному компрессору, располагающемуся на берегу. С помощью компрессора воздух продавливается по трубам и выходит через отверстия в виде пузырьков. Этот процесс называют барботажем. Вместе с потоком пузырей более теплые воды нижнего слоя поднимаются к поверхности. Турбулентность в воде и поступление тепловой энергии подавляют формирование ледяного покрова.
Реализация такой системы требует определения ряда параметров барботажа. Этой теме посвящен ряд работ зарубежных и отечественных исследователей [2, 6, 7, 8], однако, в них выводы делаются только на основании эмпирических данных для конкретных акваторий.
Для оценки эффективности применения барботирования в тех или иных условиях требуется универсальное теоретическое описание определяющих его факторов.
Цель работы: на основе теории размерностей и лабораторного эксперимента определить и математически описать основные параметры барботажа в мелком море.
Задачи работы:
1. Собрать экспериментальную установку для исследования параметров барботажа;
2. Сформировать массив данных по результатам наблюдений в ходе эксперимента;
3. На основании теории размерностей получить выражения для определения параметров барботажа.
4. Выполнить расчет и проанализировать характеристики всплытия воздушных пузырей
В ходе данной работы были выполнены все поставленные задачи. Разработана и собрана экспериментальная установка для исследования параметров барботажа в мелком море. Выполнены серии экспериментов и произведена обработка и анализ полученных данных, на основе чего было сформулировано выражение, описывающее изменение диаметра отрыва пузыря от сопла от различных параметров.
Описан процесс формирования одиночного пузыря на сопле, его отрыв и всплытие. При малых объемных расходах воздуха пузырек отрывается непосредственно от сопла под воздействием растущего давления внутри него и архимедовой силы, что сопровождается разрывом шейки. Всплытие одиночного пузырька имеет характер колебаний относительно вертикальной оси в следствие деформации пузыря из-за сжимаемости газа.
В результате измерений отрывных диаметров одиночных пузырей выявлена прямая связь между ними и диаметром сопла. Также установлено, что скорость всплытия снижается с увеличением диаметра отрыва пузырька в из-за возрастания лобового сопротивления и деформации сфероида, но при достижении некоторого критического объема скорость начинает расти из -за увеличения архимедовой силы.
Приведено описание образования и всплытия пузырей в потоке при расходах воздуха от 0,06 л/мин до 0,6 л/мин. Экспериментально установлено, что при объемном расходе от 0,06 до 0,21 л/мин пузыри в потоке ведут себя как одиночные и не взаимодействуют друг с другом. При увеличении расхода до 0,52 л/мин начинает проявляться взаимодействие пузырей друг с другом, на небольшом расстоянии от сопла они сливаются, образуя конгломераты, которые в процессе всплытия в следствие неустойчивости распадаются на более мелкие части.
Получено выражение для определения диаметра отрыва пузыря и подобран эмпирический коэффициент. Однако результаты расчетов расходятся с экспериментальными данными на величину порядка 1-1,5 мм, но при этом отражая общую тенденцию к увеличению диаметра отрыва пузырьков с возрастанием объемного расхода воздуха.
При расходах воздуха 5 - 12,5 л/мин режим истечения газа через сопло приобретает струйно-дискретный характер. На сопле образуется факел, высота которого прямо зависит от расхода воздуха, который при достижении предельного объема отрывается от сопла. При этом происходит интенсивное и сложное взаимодействие между всплывающими объемами, они сливаются, образуя конгломераты с относительным внутренним движением. При этом частота отрыва связана с расходом воздуха сложным образом из-за взаимодействия образующейся струи воздуха из сопла с всплывающими конгломератами.
