Способ исследования турбулентной диффузии в потоке жидкости в трубопроводе Советский патент 1981 года по МПК G01N24/08 

I

Изобретение относится к гидродинамическим исследованиям и может быть использовано для проверки теорий турбулентного течения, а также для исследования эффективности перемешивания )кидкости в различных химических, магнитогидродинамических и других устройствах.

Известен способ исследования турбулентной диффузии в потоке жидкости, основанный на подкрашивании жидкости и киносъемке движения окрашенного участка l }.

Однако способ требует применения высокоскоростной съемки и может быть использован лишь при малых скоростях потока. Кроме того, внесение краски искажает структуру потока, приводя к погрешностям измерений.

Наиболее близким к предлагаемому является способ исследования турбулентной диффузии в потоке жидкости в трубопроводах, заключающийся в поляризации жидкости магнитным полем.

воздействии на нее радиочастотным полем, регистрации сигнала ядерного магнитного резонанса. В этом способе используется метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). По временной зависимости амплитуды сигнала ЯМР А (t) определяется интенсивность продольной турбулентной диффузии на заданном участке трубопровода 2,

Недостаток этого способа заклю10чается в том, что для определения зависимости А (t) необходимо производить фотографирование сигнала с экрана осциллографа, что затрудняет и затягивает измерения. Кроме того,

15 определение формы фронта турбулентной диффузии по фотографиям сигнала можно осуществлять только с большой погрешностью, вследствие искажения этого фронта шумами радиосхе20мы, используемой для регистрации счганла ЯМР.

Цель изобретения - упрощение, повышение точности и скорости измерений.

.

Поставленная цель достигается тем, что в способе исследования турбулентной диффузии в потоке жидкости в трубопроводе, заключающемся в поляриэации жидкости магнитным полем, воздействии на нее радиочастотным полем и регистрации сигнала ЯМР на жидкость воздействуют периодическими прямоугольными импульсами радиочастотного поля, измеряют зависимость амплитуды сигнала ядерного магнитного резонанса отчастоты следования импульсов радиочастотного поля, определяют частоты их повторения, при которой амплитуда сигнала ЯМР становится равной половине ее максимального значения, и по этой частоте повторения судят о дисперсии распределения жидкости по скоростям и коэффициенте продольной турбулентной диффузии.

На фиг. 1 приведена схема установки для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - коэффициенты продольной турбулентной диффузии К в предлагаемом способе; на фиг. 3 то же, в известном способе.

Установка содержит объем I для ЖИДКОСТИ , расположенный между полюсами трубопровод 2,на конце которого имеется катушка 3 для регистрации сигнала ЯМР, присоединенная к схеме детектора 4 сигнала ЯМР катушка 5 для отметки жидкости, присоединенная к генератору 6 радиочастоты через электронньш ключ 7, управляемьш генератором 8 низкочастотных НЧ колебаний , 1

Способ осуществляется следующим образом.

Жидкость поляризуется, протекая п объему 1, и в отсутствие напряжения на катушке 5 дает на выходе схемы детектора 4 сигнал ЯМР с некоторой амплитудой А (будем считать эту амплитуду максимальной ). При включенном генераторе 6 радиочастоты управляющи генератором 8 колебаний НЧ в катушке 5 возникают прямоугольные радиоимпулсы с частотой заполнения f, задаваемой генераторном 6 радиочастоты, и с частотой повторения радиоимпульсов F, задаваемой управляющим генераторо 8 НЧ колебаний. Частота заполнения f устанавливается равной резонансной частоте ядер в катушке 5, поэтому во время действия радиочастотного поля из этой катушки вытекает жидкость с отрицательной ядерной намагниченностью , а в отсутствие радиочастотного поля - с положительной ядерной намагниченностью. В результате по трубопроводу 2, соединяющему катушки 3 и 5, течет жидкость с ядерной намагниченностью, периодически меняющейся вдоль струи. Если скважность видеоимпульсов равна 1/2 то протяженность этих участков Т одинакова и равна Т- , где w - средняя

скорость жидкости.

При течении жидкости по трубопроводу 2 происходит размытие границ участков, в результате часть жидкости из участков с и с обменивается, что приводит к уменьшению средней намагниченности участков. Величина этой намагниченности зависит от соотношения и дисперсии распределения жидкости вдоль оси X струи. Принимая, что жидкости вдоль оси струи подчиняется нормальному закону, можно показать, что средняя намагниченность при X - t7 достигает величины, равной 1/2 от максимальной намагниченности М , которая имеется при отсутствии отметки и при С . Амплитуда сигнала ЯМР на выходе схемы пропорциональна средней намагниченности .

Таким образом, подобрав частоту повторения импульсов, при которой амплитуда сигнала А - А, по формуле X l2 находим дисперсию распределения жидкости при турбулентной диффузии, откуда по формулам6-Я-(/е

5 и К , где - длина трубопровода 2, находим дисперсию распределения жидкости по скоростям (J и коэффициент продольной турбулентной диффузии К.

0 Для проверки предлагаемого способа создают экспериментальную установку с объемом-1, равным 130 см , магнитом поляризатора с индикацией 1т, трубопроводом 2 диаметром 6 мм и длиной

5 36 см. Для регистрации сигнала используют прибор ЕП-2 с синхронным детектором на выходе. Для создания радиоимпульсов применяют генератор ГЧ-26. Измеряюткоэффициент продольной турбулентной диффузий К фиг.2 . Для сравнения аналогичные измерения проводят известным способом с регистрацией зависимости A(t) на экране осциллографа (фиг. 3).

5 Исследования показывают,что погрешность определения К предлагаемым способом в 5 раз меньше,чем погрешности определения известным способом.На одно w мерение предлагаемым способом требуется 1 мин,а известным способом,требующим фотографирования обработки фотоснимков, на это затрачивается несколько часов. В предлагаемом способе регистрация сигнала ЯМР может производиться с помощью узкополосной приемной аппаратуры, так как при постоянной частоте F сигнал ядер во времени не меняется В известном же способе требуется регистрировать изменение сигнала во времени, что приводит к необходимости использовать широкополосную прием ную аппаратуру. При использовании узкополосной аппаратуры отношение сигнала к шуму значительно больше, чем при использовании широкополосной аппаратуры, а с увеличением отношения сигнала к шуму погрешность измерений повышается. Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает значительно большую точность измерений Д. и К, чем извест ный (погрешность уменьшается в 5 раз отличается простотой и быстротой изме рений, связанных с отсутствием фотографического процесса. Формула изобретения Способ исследования турбулентной диффузии в потоке жидкости в трубо4проводе, заключающийся в поляризации жидкости магнитным полем, воздействии на нее радиочастотным полем и регистрации сигнала ядерного магнитного резонанса, СЯМР )отличаюи ийс я тем, что, с целью упрощения, по вьш1ения точности и скорости измерений, на жидкость воздействуют периодическими прямоугольными импульсами радиочастотного поля, измеряют зависимость амплитуды сигнала ядерного магнитного резонанса от частоты повторения импульсов радиочастотного поля, определяют частоту повторения импульсов радиочастотного поля при которой амплитуда сигнала ЯМР становится равной половине ее максимального значения, и по величине частоты повторения судят о дисперсии распределения жидкости по скоростям и коэффициенте продольной турбулентной диффузии. Источники информации, принятые ро внимание при экспертизе 1.Мокин А. С. Яглом А. М. Статическая гидродинамика, М,, Наука , 1965. с. 505. 2.Авторское свидетельство СССР № 128669, кл. G 01 N 27/78 (прототип)

Г

1

5 J

.f5

808

SQS

х

2DD

Q

WO (

c/v

е(-ё)

Ш

И/

300