ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОДВОДНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА В КАНАЛАХ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ

EXPERIMENTAL STUDIES OF THE UNDERWATER ELECTRICAL EXPLOSION IN CHANNELS OF VARIABLE SECTION

Marat Toregeldin

candidate of science assictant professor of the Karaganda State University E.A. Buketov,

Kazakhstan, Karaganda

Oleg Seldyugaev

candidate of science assictant professor of the Karaganda State University E.A. Buketov,

Kazakhstan, Karaganda

Nurgul Shuishbaeva

dr. PhD, Senior teacher of the Kokshetau state university named after Sh. Ualikhanov,

Kazakhstan, Kokshetau

Muratzhan Turgunov

senior teacher of the Karaganda State University E.A. Buketov,

Kazakhstan, Karaganda

Zhannur Nurgaliyeva

senior teacher of the Karaganda State University. E.A. Buketov,

Kazakhstan, Karaganda

Didar Ospanova

senior teacher of the Karaganda State University. E.A. Buketov,

Kazakhstan, Karaganda

АННОТАЦИЯ

Предложена методика проведения экспериментальных исследований на основе импульсных сигналов в разряде жидкости, где использовался цифровой осциллограф Velleman PCS-500, который может вычислять среднеквадратичное отклонение и сравнить его с другими сигналами.

Проведены измерения импульсного давления в газожидкостном потоке в диффузорах и конфузорах с различными углами сужения и расширения, разной протяженности, получены характерные осциллограммы импульсного давления, сопровождающий высоковольтный электрический разряд в жидкости.

ABSTRACT

The technique of experimental studies on the basis of pulse signals in the liquid discharge was used a digital oscilloscope Velleman PCS-500, that can calculate the standard deviation and compare it with other signals.

Measurements of the pulse pressure in the gas-liquid flow in diffusers and confusers with different angles of contraction and expansion of different lengths, obtained characteristic waveform pulse pressure that accompanies a high-voltage electrical discharge in a fluid.

Ключевые слова: импульс; разряд; давление.

Keywords: pulse; discharge; pressure.

В настоящее время поиск и активное использование возобновляемых источников энергии во многих развитых странах мира приняты в качестве жизненно важных, стратегически необходимых ресурсов, обеспечивающих перспективное развитие экономики этих стран.

В странах СНГ источниками центрального теплоснабжения жилых, общественно-коммунальных зданий и коммунально-бытовых предприятий являются крупные ТЭЦ и районные котельные. Одним из альтернативных вариантов является получение тепловой энергии с использованием теплового насоса, который дает возможность с целью энергосбережения использовать: грунтовую теплоту, подземные воды, водоёмы, природные водные потоки и т. д. Основным теплообменным элементом системы сбора низкопотенциального тепла грунта являются вертикальные грунтовые теплообменники, которые располагаются снаружи по периметру здания. Эти теплообменники представляют собой 8 скважин глубиной от 32 до 35 м каждая, устроенных вблизи строения. Теплообменник теплового насоса устанавливается в скважинах для использования тепла грунта.

Вертикальные грунтовые теплообменники позволяют использовать низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже «нейтральной зоны» (10–20 м от уровня земли).

Для установки теплообменника вертикально в землю используются разные виды бурения.

Электрогидроимпульсный способ бурения скважин является новшеством чем традиционное бурение скважин.

В свете вышесказанного возникает необходимость в экспериментальном исследовании тепловых процессов в скважине грунтового теплообменника при оптимизации теплообменных характеристик в результате электрогидроимпульсной обработки и создании энергоэффективной технологии повышения теплоотдачи скважин теплообменников.

Методика исследования.

Для фиксирвования импульсных сигналов в разряде жидкости использовался цифровой осциллограф Velleman PCS-500, который может вычислять среднеквадратичное отклонение и сравнить его с другими сигналами.

Импульсный электрический разряд в жидкости – процесс, сопровождающийся большой концентрацией энергии. По-существу такой разряд не что иное, как микровзрыв в водной среде. При этом происходит очень быстрое выделение большого количества энергии в первоначально малом объеме, представляющем собой парогазовую область, образовавшуюся под действием высокого электрического потенциала между противоположно заряженными электродами.

На рисунке 1 показаны изменения импульсного давления по времени при разных расстояниях между электродами l, емкость конденсатора C=0.1 мкф.

а) U=3 кВ, l=1 мм

б) U=6 кВ, l=2 мм

в) U=9 кВ, l=3 мм

г) U=12 кВ, l=4 мм

Рисунок 1. Изменение импульсного давления по времени при разных расстояниях между электродами l, емкость конденсатора C=0,1 мкф

В результате экспериментальных исследований получены характерные осциллограммы импульсного давления, сопровождающего высоковольтный электрический разряд в жидкости, рисунок 1. На осциллограммах четко видны участки, где сплошная линия становится прерывистой (пунктирной), что обусловлено попаданием газовых или воздушных пузырьков в разрядный канал.

Результаты и обсуждение.

В экспериментах постоянными поддерживались емкость накопителя энергии и индуктивность разрядного контура, изменялось межэлектродное расстояние от 0,5 до 5 мм, и соответственно напряжение разрядника.

На импульсных развертках максимальный пик соответствует давлению, которое регистрируется пьезометрическим датчиком непосредственно после осуществления электрического разряда в жидкости, последующие более низкие пики, соответствуют давлению, создаваемому отраженной ударной волной. Дальнейшее регистрируемое давление соответствует затухающим колебаниям в среде, в которой проводился электрический взрыв.

На рисунке 2 показана зависимость амплитуды давления от концентрации газовой среды (вода + воздушные пузырьки) при различных межэлектродных расстояниях: l = 1÷ 4 мм.

Рисунок 2. Зависимость амплитуды давления от концентрации газовой среды (вода + воздушные пузырьки) при различных межэлектродных расстояниях l =: ¨ – 4 мм; *– 3мм; ■ – 2 мм; ▲ – 1 мм

На рисунке 2 приведены графики зависимости амплитуды импульсного давления от степени объемного газосодержания воздуха. Добавление газовой фазы до концентрации 8–10 % практически не влияет на величину амплитуды давления, но дальнейшее увеличение содержания газовой фазы приводит к уменьшению, наблюдается демпфирующий эффект газовой фазы [1]. Получены графические зависимости амплитуды импульса давления от концентрации минеральных примесей, газосодержания, изучено влияние размеров минеральных частиц и пузырьков. Опыты, проведенные с минеральными примесями, также показали эффект нелинейного снижения амплитуды импульса давления в зависимости от размеров и концентрации твердых частиц.

Рисунок 3. Зависимость приведенной безразмерной амплитуды давления от содержания пузырьков углекислого газа при наличии входного диффузора , при межэлектродных расстояниях l =: ♦ – 1 мм; ´-2 мм; ▲– 4м

При низком давлении потока изменение размеров пузырьков из-за уменьшения давления вдоль диффузора более значительно, при большом давлении оно практически не влияет. Влияние импульсного давления при малом газосодержании несущественно. Характер изменения газосодержания вдоль диффузора для различных начальных концентраций практически одинаков, но зависит от размеров пузырьков, которые определяют структуру кластеров, показанных на рисунках 3 и 4 Р₀ – соответствует значению амплитуды импульсного давления в чистой воде без примесей.

Рисунок 4. Зависимость приведенной безразмерной амплитуды давления от содержания пузырьков углекислого газа, ´– диффузор; ▲– конфузор

Эффект неравномерного влияния переменного сечения канала на величину импульсного давления в диффузоре и конфузоре обусловлен тем, что кластеризация пузырьков приводит к турбулизации течения и образованию макроскопических структур, которые в свою очередь, влияют на всю гидродинамику, и соответственно, на величину гидравлического трения и сопротивления газожидкостного потока [2].

Заключение.

Таким образом, проведены измерения импульсного давления в газожидкостном потоке в диффузорах и конфузорах с различными углами сужения и расширения, разной протяженности, получены характерные осциллограммы импульсного давления, сопровождающего высоковольтный электрический разряд в жидкости.

Влияние диффузорности можно не учитывать при содержании газовой среды до (8¸10) %, при больших значениях концентрации газовая составляющая, могут образоваться «воздушные пробки», оказывающие демпфирующее действие и существенно уменьшающие амплитуду импульсного давления.

Список литературы:

1. Кусаиынов К., Сакипова С.Е., Курмашева К.Е, Оспанова Д.А. Влияние импульсного давления подводного взрыва на структуру пузырьковых кластеров, движущихся в канале переменного сечения // Материалы 5-й международной научной конференции: «Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент». Том. 2 – Астана: ЕНУ, 2008. – С. 53–60.
2. Сақыпова С.Е., Шуюшбаева Н.Н., Оспанова Д.А., Төсекбай А.Ә. Айнымалы қималы арнада электрогидроимпульстік эффект кезінде қозғалатын газ сұйықты ағынның параметрлерін зерттеу // Қарағанды университетінің хабаршысы. «Физика» сериясы. – Қарағанды, 2015. – № 2 (78). – Б. 61–67.