Методы и методики исследований. Основные задачи работы решались моделированием и анализом моделей процессов газовой динамики с использованием методов математического моделирования. При проведении экспериментальных исследований использовались методы статистического анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— в результате анализа результатов экспериментальных и теоретических исследований физических эффектов, возникающих при взаимодействии струи газа со слоем жидкости, доказана возможность создания на их основе струйно-барботажного метода контроля вязкости жидкости;

— разработана математическая модель процесса колебания поверхности раздела фаз «газ-жидкость» при прохождении струи газа через слой вязкой жидкости, связывающая частоту колебаний поверхности раздела фаз с физико-механическими свойствами жидкости и параметрами газожидкостной системы;

— разработан новый струйно-барботажный метод измерения вязкости, основанный на непрерывном измерении характеристик струи газа, проходящей через тонкий слой жидкости. Метод, в отличие от известных, позволяет осуществлять непрерывное измерение вязкости малых объемов жидкостей в условиях пожаро- и взрывоопасных производств.

Практическая значимость. Разработано устройство для измерения вязкости высоковязких, легко воспламеняющихся, агрессивных жидкостей в условиях пожаро- и взрывоопасных производств. Осуществлен выбор его основных конструктивных и режимных параметров. Производственные испытания экспериментальных образцов устройств показали их работоспособность.

Оригинальный метод и реализующее его устройство для контроля вязкости признаны изобретением и защищены патентом Российской Федерации.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований автора прошли промышленные испытания на ОАО «Уваровский сахарный завод» и рекомендованы к внедрению.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на IV Всероссийской научно-технической конференции (Нижний Новгород, 1999 г.); на 14-й Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Смоленск, 2001 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 16 таблиц. Список литературы включает 70 наименований. Приложения содержат 82 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты апробации. Сформулированы результаты исследований, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор существующих пневматических методов контроля физико-механических свойств жидкостей, рассмотрены их достоинства и недостатки, сформулирована основная идея разработки. Сделан вывод о необходимости разработки нового метода измерения вязкости жидких веществ, в котором будут учтены недостатки существующих методов.

Основное достоинство нового метода состоит в том, что в процессе прохождения струи газа через тонкий слой высоковязкой жидкости, в ней не возникает пузырьков, снижающих точность измерения.

Идея метода состоит в регистрации характеристик струи газа, прошедшей через тонкий слой жидкости (например, угла ее раскрытия), при наличии установившихся колебаний газожидкостного канала.

В итогах первой главы, на основе проведенного исследования литературных источников и главной идеи метода, поставлены задачи исследования.

Во второй главе проведены теоретические и экспериментальные исследования эффектов, возникающих при прохождении струи газа через жидкость. Установлено, что на характер взаимодействия струи газа с жидкостью влияют такие свойства жидкости, как плотность, вязкость, поверхностное натяжение, а также конструктивные параметры измерительного элемента: высота слоя жидкости над соплом, расход газа, диаметр сопла, его форма.

Проведенный анализ процесса прохождения потока газа через слой вязкой жидкости позволил выявить следующие характерные расходы газа, при которых происходит смена режима его взаимодействия с исследуемой жидкостью:

– расход Q1, при котором наступает режим устойчивой воронки;

– расход Q2, при котором наступает режим неустойчивых колебаний;

– расход Q3, при котором режим неустойчивых колебаний сменяется режимом устойчивых колебаний;

– расход Q4, при котором геометрические параметры газового канала стабилизируются от колебания к колебанию;

– расход Q5, при котором поверхность раздела фаз начинает совершать неустойчивые колебания за счет взаимодействия струи газа с пограничными слоями жидкости.