Волновые режимы в стекающих слоях вязкой жидкости и их влияние на процессы переноса

• Автор: Калайдин, Евгений Николаевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Краснодар
• Количество страниц: 348 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
1. ВОЛНОВАЯ ГИДРОМЕХАНИКА И МАССООБМЕН
В СЛОЯХ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ
1.1. Основные режимы течения — обзор экспериментов
1.2. Уравнения теории нелинейных волн — иерархия моделей
1.3. Массообмен в волновых слоях
1.4. Обзор теоретических результатов предыдущих работ
1.5. Цели настоящей работы
2. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ВОЗМУЩЕНИЙ И ДИНАМИКА НЕЛИНЕЙНЫХ ВОЛН ПРИ МАЛЫХ
И УМЕРЕННЫХ ЧИСЛАХ РЕЙНОЛЬДСА
2.1. Первичная и вторичная неустойчивости. Семейства
двумерных волн
2.2. Спектр двумерного солитона и его динамика
2.3. Пространственное развитие возмущений вниз по потоку
2.4. Исследование солитонных структур в области развитого волнового поведения
3. РЕЖИМ ПОВЕРХНОСТНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ
3.1. Неустойчивость двумерных солитонов к поперечным
возмущениям
3.2. Л-солитоны
3.3. Эксперименты — сравнение с теорией

4. РЕЖИМ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ВОЛН
4.1. Первичная неустойчивость при турбулентном режиме течения217
4.2. Резонансное влияние топографии дна на волновые режимы
4.3. Устойчивость нелинейных катящихся волн
4.4. Численное моделирование развития катящихся волн
из малых естественных возмущений
4.5. Когерентные волновые структуры и самоподобие
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОЛНОВЫХ РЕЖИМОВ НА МАССООБМЕН
5.1. Механизмы массообмена и их анализ
5.2. Зависимость массообмена от параметров и формы волны
5.3. Массообмен при реальных волновых режимах. Естественное волнообразование
5.4. Вынужденные волны. Оптимальные режимы массообмена
5.5 Критериальная зависимость в задаче массообмена
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ
Исследование течений слоев вязкой жидкости с поверхностью раздела является одним из классических направлений гидродинамики. Основу его развития в своих фундаментальных работах заложили П. JI. Капица [50,51] и В. Я. Шкадов [87,89,91,92]. Успеху многих последующих исследований способствовал факт удачного упрощения исходной сложной полной постановки и замены ее упрощенной, но сохраняющей все количественные свойства исходной — системой Капицы — Шкадова.
Фундаментальные исследования данной проблемы проведены П. JT. Капицей, В. Я. Шкадовым, С. В. Алексеенко, Е. А. Демехиныы, В. Г. Левичем, В. Е. Накоряковым, А. А. Непомнящим, Б. Г. Поку-саевым, В. В. Пухначевым, Ю. Я. Трифоновым, О. Ю. Цвелодубом. Обзор экспериментальных и теоретических работ можно найти в монографиях [1,127]. Интенсивное изучение этой проблемы стимулировалось ее широким применением в технике и технологиях. Обзор приложений приведен в [6,7,13,53,79,80,105,157]. Важность проблемы обусловлена использованием пленок жидкости для осуществления технологических процессов, связанных с тепломассообменом между фазами. Известно применение пленок в таких массообменных аппаратах, как абсорберы, ректификационные колонны, кристаллизаторы, электролизеры. В холодильной технике пленочные теплообменники используются в качестве конденсаторов хладагентов. При движении двухфазных парожидкостных смесей в трубках паровых котлов пленки являются составной частью теплопередачи. В химических технологиях и пищевой промышленности водяные пленки служат для охлаждения серной кислоты, молочных продуктов, рассола при получении соды. Пленки жидкости используются

В работе [233] исследовано растворение углекислого газа и кислорода в метаноле, этаноле и водном растворе пропанола, стекающих по вертикальной стеклянной трубе. Эксперименты проводились для чисел Рейнольдса (Яе) = 250 - 2500, чисел Шмидта Бс — 80 - 2700, чисел Капицы 'У = 420 - 5800 для естественных волн Получена эмпирическая критериальная формула для коэффициента массообмепа, зависящая от параметров жидкости и средней толщины пленки. Волновые параметры не контролировались, предполагалось, что волновой режим определяется только числом Рейнольдса.
В случае естественного волнообразования разнообразие волновых режимов при развитии возмущений по пространству не позволяет определить, как параметры конкретной стационарной волны влияют на процессы массопереноса, поэтому в цикле экспериментальных работ группы ученых ИТФ СО РАН [58, 59] реализована идея П. Л. Капицы [50, 51] создания монохроматической волны наложенными колебаниями расхода на входе. Такой волновой режим называют режимом вынужденных волн. Для определения влияния волн использовался фактор интенсификации маесоотда-чи, равный отношению числа Шервуда Бк к числу Шервуда для гладкой пленки Бкц, найденному из теории проницания [54,174]. Для всех рассматриваемых длин массообменного участка получена следующая зависимость: с ростом числа Рейнольдса до (Яе) ~ 20 - 30 коэффициент интенсификации массоотдачи Бк/Бко значительно увеличивается, достигая максимума при (Яе) ~ 70 - 80, и далее стремится к единице. Исследовано влияние характеристик двумерных и трехмерных стационарных волн в ламинарном слое на массообмен при десорбции углекислого газа из водоглицериновой смеси. Получено, что интенсификация массообмена начинается уже при числах Рейнольдса (Яе) = 5 - 7, а при (Яе) = 20- 30 значение Бк/Бко достигает 2 — 2,5. Получена зависимость массообмена от периода двумерных стационарных волн. Так, при (Яе) = 9,9 короткие волны приводят к увеличению коэффициента массоотдачи на 50%, а длинные — на 150% по срав-