СОКРАЩЕНИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Исследования барботажа и его практическое применение 7
1.1 Основные характеристики пузырьковых течений 7
1.2 Циркуляция воды, индуцированная пузырьковым течением 11
1.3 Перенос тепла 17
1.4 Практическое применение и ограничения метода 20
2 Организация эксперимента и методы исследования 25
2.1 По становка эксперимента 25
2.1.1 Описание лабораторной установки 25
2.1.2 Проведение экспериментов 26
2.2 Определение скорости всплытия пузырьков 28
2.2.1 Бинаризация изображения (пороговое преобразование) 28
2.2.2 Обнаружение контуров объектов 29
2.2.3 Алгоритм обработки данных экспериментов 30
2.3 Вычисление скорости потока методом цифровой трассерной
визуализации 32
2.3.1 Принцип метода 33
2.3.2 Обработка изображений и получение распределения скоростей 34
2.3.3 Поиск максимума корреляционной функции и подписксельная
интерполяция 37
2.3.4 Метод коррекции ошибок 39
2.3.5 Метод интерполяции 40
2.3.6 Погрешность PIV-метода 40
2.3.7 Алгоритм обработки данных экспериментов 41
3 Результаты проведенных исследований 43
3.1 Наблюдение затягивания 43
3.2 Скорость всплытия и характеристики пузырей 44
3.3 Поля скоростей формирующихся течений 62
3.4 Определение коэффициента увлечения 70
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
В настоящее время стремительно увеличивается использование ресурсного потенциала морей Российской Арктики. Огромны перспективы освоения арктического шельфа, на котором обнаружены значительные запасы полезных ископаемых, углеводородов. Ключевую роль при их транспортировке играет Северный морской путь (СМП).
Определенную трудность представляет собой обеспечение круглогодичной работы замерзающих портов СМП. Актуальной проблемой при их эксплуатации в зимний период является образование ледяного покрова на портовой акватории.
Проводка судов в условиях высокой сплоченности льда традиционно осуществляется ледоколами. Однако, их применение весьма дорогостояще малоэффективно вблизи причальных стенок. Хорошо зарекомендовавшим себя методом подавления нарастания льда в портах Канадской Арктики стала установка барботажной системы. Ее сущность заключается в создании вертикального пузырькового потока, создающего вертикальную циркуляцию в водоеме для растапливания льда.
Реализация такой системы требует исследования формирующейся циркуляции и особенностей вовлечения окружающих вод в воздушный поток.
Объект исследования — процесс барботажа.
Предмет исследования — циркуляция, формирующаяся в водоеме при барботаже.
Данное исследование является продолжением бакалаврской работы, в которой были изучены параметры пузырькового потока .
Цель работы: в лабораторных условиях исследовать процесс затягивания жидкости в пузырьковый поток и циркуляцию, формирующуюся под действием барботажа.
Задачи работы:
1. Разработать экспериментальную установку;
2. Подготовить и провести эксперименты по формированию и фиксации процесса затягивания воды в пузырьковый поток
3. Сформировать массив данных по результатам наблюдений в ходе экспериментов;
4. С помощью методов «компьютерного зрения» (CV) и цифровой трассерной визуализации (PIV) исследовать вертикальную циркуляцию при барботаже;
Научная новизна исследования
В работе применены современные техники «компьютерного зрения» для определения вертикальной скорости пузырьков в потоке. Получены оценки вертикальных скоростей течения, формирующегося под воздействием барботажа при различных расходах воздуха. На их основе выполнен расчет коэффициента увлечения воды пузырьковым потоком. Эти данные крайне важны для адекватного описания вертикальной циркуляции, индуцируемой воздушным потоком, и проектирования барботажной системы.
В ходе работы выполнены все поставленные задачи.
Была разработана лабораторная установка, которая позволила изучить формирование вертикальной циркуляции и процесс затягивания воды в пузырьковый поток. Организована и настроена система подачи воздуха и красителя в воду, оборудована лазерная система для подсвечивания трассеров. Проведены серии экспериментов по наблюдению затягивания подкрашенной жидкости в водовоздушный поток, определению скорости всплытия пузырей и скоростей движения трассеров в водном потоке.
Сформирован массив видеоданных по результатам экспериментов при задании различных расходов воздуха.
Реализованы алгоритмы определения вертикальной скорости пузырьков с помощью анализа изображений и измерения полей скоростей потока методом цифровой трассерной визуализации.
В эксперименте с подачей красителя наблюдалось вовлечение подкрашенной жидкости в пузырьковый поток и ее подъем вплоть до поверхности.
Определены средние скорости всплытия пузырьков при различных расходах воздуха. Вертикальная скорость возрастала с увеличением расхода воздуха от 31,6 см/с при Q = 0,3 мл/с до 38,1 см/с при Q = 2,5 мл/с.
Методом PIV исследована циркуляция, формирующаяся при барботаже. Показано, что наибольшие скорости потока наблюдаются при минимальном расходе воздуха, что, предположительно, связано с проскальзыванием пузырьков при больших вертикальных скоростях без захвата окружающей жидкости.
Полученные оценки скорости потока являются адекватными, что подтверждается результатами других подобных исследований [3, 10].
Установлено, что коэффициент увлечения максимален при минимальном расходе и достигает величины 0,06, так как отношение вертикальной скорости потока и скорости всплытия пузырьков в этом случае наибольшее. При этом наибольшая площадь вовлечения воды в воздушную струю наблюдалось при расходе Q = 1 мл/с.
Процесс барботажа может быть успешно использован для создания вертикальной циркуляции в водоеме, разрушения стратификации и подъема придонных вод к поверхности.
Данная работа необходима для построения численной модели барботажа, которая позволит производить расчет энергозатрат на растапливание льда в портовой акватории.
Результаты настоящего исследования были опубликованы в двух сборниках тезисов всероссийских конференций [1,23] и представлены в докладах на нескольких международных научных школах.
Благодарност и
Автор диссертации выражает признательность научному руководителю Чанцеву Валерию Юрьевичу за ценные замечания и продуктивные обсуждения работы; Свергун Егору за 3Б-печать, помощь в сборе лабораторной установки, прибора для измерения разности температур и лазерной системы; Артамоновой Анастасии за предоставление скоростной видеокамеры; Смирнову Юрию, Татаренко Юрию и Лапенкову Артему за помощь при проведении экспериментов.
