Термокапиллярная конвекция в локально нагреваемой пленке жидкости, движущейся под действием потока газа

• Автор: Гатапова, Елизавета Яковлевна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 108 с. : ил.

# ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. ТЕЧЕНИЕ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА. ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).
1.1 Гидродинамика пленки жидкости, движущейся под действием гравитации и спутного потока газа
1.2 Микроканалы и миниканалы
1.3 Термокапиллярные явления в тонких слоях жидкости
1.4 Теплообмен и испарение при движении пленки и спутного потока газа
1.5 Выводы. Постановка задач исследования
ГЛАВА 2. ПОЛЕ ТЕМПЕРАТУР И ТЕРМОКАПИЛЛЯРНАЯ
ф ДЕФОРМАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПЛЕНКИ.
2.1 Постановка задачи и анализ масштабов
2.2 Аналитическое решение задачи о переносе тепла в пленке жидкости при
линейном профиле скорости
2.3 Точное решение линеаризованной задачи для толщины пленки
2.4 Выводы

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСПАРЯЮЩЕЙСЯ ЛОКАЛЬНО НАГРЕВАЕМОЙ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ, ДВИЖУЩЕЙСЯ ПОД
ДЕЙСТВИЕМ ПОТОКА ГАЗА.
3.1 Постановка задачи и анализ масштабов
3.2 Расчет толщины пленки и поля скоростей для изотермического случая
3.3 Совместный расчет тепломасоообмена
3.4 Коэффициент теплоотдачи на поверхности пленки
3.5 Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными
3.6 Практические рекомендации для систем охлаждения микроэлектронного оборудования
3.7 Выводы
ВЫВОДЫ
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ЛИТЕРАТУРА

Актуальность работы. Процессы в пленках жидкости широко используются в различных технологических системах, так как обеспечивают высокую интенсивность тепло-массопереноса и значительную поверхность контакта фаз при малых удельных расходах жидкости. Тонкие пленки жидкости могут также возникать при движении двухфазных потоков в каналах испарительно-конденсационных систем. Пленочные течения специально создаются в различных аппаратах химической технологии, пищевой, фармацевтической промышленности, в криогенной индустрии.
Совместное движение газа и жидкости имеет место в различных аппаратах химической промышленности и энергетике, например, при кольцевом режиме течения двухфазного потока в трубах или на стадии подготовки топлива в камерах сгорания.
Перспективным является использование тонких пленок жидкости, движущихся под действием газового потока, в системах охлаждения микроэлектронного оборудования, как в земных условиях, так и в условиях микрогравитации [Sherwood and Cray, 1992, Bar-Cohen et al., 1995, Kabov et al., 2004]. В таких системах процесс спутного течения пленки и газа происходит в микро или миниканалах. Характерная высота рассматриваемых каналов варьируется от 50 до 3000 мкм. При этом движение газа и жидкости как правило имеет ламинарный характер. Перспективными рабочими жидкостями для таких систем охлаждения является вода при давлениях ниже атмосферного, а также диэлектрическая жидкость FC-72. Вода позволяет снимать наиболее высокие тепловые потоки, но опасность разгерметизации ограничивает ее применение. FC-72 обладает относительно низким коэффициентом теплопроводности и теплотой фазового перехода. В работе выполнены расчеты для обеих жидкостей.
Существенную роль при движении двухфазных потоков в мини и микроканалах играет поверхностное натяжение. В условиях интенсивного тепло и массообмена возникают термокапиллярные силы, вызываемые наличием градиента температуры на поверхности раздела газ-жидкость и концентрационнокапиллярные силы, вызываемые градиентом концентрации при течении многокомпонентных жидкостей.
Термокапиллярная конвекция в пленке жидкости, нагреваемой снизу, широко исследовалась в течение последних десятилетий. Тем не менее, вопрос о влиянии газовой фазы на поверхностные явления остается не до конца изученным. В большинстве статей изучение взаимодействия испарения и термокапиллярного эффекта проводится в предположении, что жидкость соприкасается только с собственным паром [Burelbach et al., 1988, Oron et al., 1997, Ajaev, 2004]. Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что присутствие неконденсируемой компоненты в фазе пара сильно стимулирует появление поверхностной неустойчивости испаряющегося жидкого слоя [Haut and Colinet, 2004].
В 1994 г. в Институте теплофизики СО РАН д.ф.-м.н. O.A. Кабовым были обнаружены регулярные структуры в тонкой движущейся под действием гравитации пленке жидкости при ее локальном нагреве со стороны подложки. Структуры представляют собой вал жидкости в области верхней кромки нагревателя, из которого с определенной периодичностью стекают струи жидкости и тонкая пленка между ними. В лаборатории интенсификации процессов теплообмена Института теплофизики (зав. лаб. Кабов O.A.) ведется эксперимент, в котором предполагается получить и исследовать подобные регулярные структуры при совместном течении пленки жидкости и газа, как в земных условиях, так и в условиях микрогравитации. Было предложено теоретически изучить процессы в пленке жидкости, движущейся под действием газового потока.
Устойчивость совместного движения неизотермической пленки жидкости и газа является сложной до конца не исследованной проблемой (Aktershev and
Р(Х)
9с2+461
Х(Х)е'х +х(-Х)е^{со5(ЬХ)~вт(ЪХ)
(2.3.5)
Если £> = 0, то все корни действительны, и два из них совпадают, и фундаментальное решение имеет вид
Р(Х) = ^х(Х)е^г +х{-Х)е'- ' [1-у*
(2.3.6)
Если £> < 0, то все корни действительны и различны.
Р{Х)~ | х(.-Х5&52)е*-х | х(~Х*ВпзъУзХ
(^1 -^'2)(^1 ~53) (52 — ^ ) (52 — 53 ) (^3 — ‘О^з —
(2.3.7)
Фундаментальное решение в двух последних случаях не периодическая функция.
Проанализируем условие £>>0, получаем
Рё 3 2<т0/г0

Обозначим через 1а = т/сг0/р^
капиллярную длину, тогда условие £ > 0 эквивалентно условию
т + pghQsm(p> pgh0
2 60 ( соэ
зГ1^~
3/2
(2.3.£
В этом случае перед валом присутствуют затухающие вверх по потоку возмущения свободной поверхности. Затухающие возмущения на свободной поверхности присутствуют, если силы, движущие пленку, перевешивают соотношение гидростатического и капиллярного давлений. Возмущения всегда существуют при больших углах наклона (^=90°), что подтверждается