О колебаниях труб с газожидкостной пузырьковой средой

Верещагина Т.Н., Федотовский В.С., Тереник Л.В.

ГНЦ РФ Физико-энергетический институт, Обнинск, Россия

Трубопроводы с двухфазными (жидкость-пар) или двухкомпонентными (жидкость-газ) потоками являются типичными элементами ядерных энергетических установок. Характеристики их вынужденных изгибных вибраций существенно зависят от динамических свойств газо-жидкостной смеси.

В разрабатываемой авторами концепции эффективных вибродинамических свойств гетерогенных сред (дисперсных сред, композитных материалов, насыщенных жидкостью пористых средах) и, в частности, пузырьковых сред, учитываются процессы инерционно-упруго-вязкого взаимодействия компонентов.

При изгибных колебаниях труб с газо-жидкостной средой из-за разности плотностей пузырьки могут совершать колебания с большей амплитудой, чем жидкость. Это приводит к тому, что эффективная динамическая плотность пузырьковой среды оказывается меньшей, чем истинная плотность смеси. Диссипативные потери в среде, обусловленные относительным движением пузырьков и жидкости, приводят также к гидродинамическому демпфированию колебаний трубы и, следовательно, к снижению амплитуд при резонансе. В связи с этим вводится понятие эффективной трансляционной вязкости, позволяющее учесть явление инерционно-вязкого межкомпонентного взаимодействия на демпфирование колебаний трубопроводов.

В докладе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований эффективных динамических свойств газо-жидкостных сред в предположении о постоянной сферической форме газовых пузырьков. Дано сравнение полученных результатов с опытными данными.

Кроме того, приводятся результаты исследований вибродинамических свойств газожидкостных сред с учетом деформируемости пузырьков при их движении относительно жидкости. Показана возможность существования резонансной зависимости эффективной динамической плотности, обусловленной деформацией пузырьков по первой сфероидальной форме. Получено приближенные аналитические решения для эффективной динамической плотности и трансляционной вязкости, учитывающие деформационно-поступательные колебания пузырьков.

Для проверки теории проведены эксперименты с пузырьковой средой в вертикальной трубке, совершающей вынужденные изгибные колебания. Приведены методика и результаты экспериментов. Получен новый эффект низкочастотной резонансной дисперсии вибродинамических свойств пузырьковой среды, согласующийся с теоретической моделью.