Гидродинамика и теплообмен в капиллярных течениях с естественной циркуляцией

• Автор: Чиннов, Евгений Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 347 с. : ил.

Список обозначений

1. Обзор литературы

1.1 Гидродинамика мало масштабных газожидкостных течений при естественной циркуляции

1.1.1 Всплытие пузырей в покоящейся жидкости

1.1.2 Двухфазный поток в каналах

1.1.3 Течение пленки жидкости

1.2 Теплообмен при локальном тепловыделении

1.2.1 Влияние всплытия пузырей на теплообмен

1.2.2 Теплообмен в стекающей пленке жидкости

1.2.3 Кипение и кризис теплообмена в пленках жидкости и на локальных нагревателях

1.3 Экспериментальные методы РОССИЙСКАЯ

1.4 Постановка задач исследования ГО С У Д А РСТ БЕНН Л Я
БИБЛИОТЕКА
2. Методика и техника эксперимента / /~ г- /-ч л а Г
2.1 Описание экспериментальных установок Г -у А К / )и — 11
2.1.1. Гидродинамика всплывающих пузырей ]
2.1.2 Оптический криостат Л
2.1.3 Конвективный теплообмен при движении пузырей
2.1.4 Кипение и кризис на локальном нагревателе -'
2.1.5 Неизотермическое течение пленки жидкости
. 1.6 Г идродинамика и теплообмен в пленке жидкости на малых нагревателях
2.1.7 Рабочие участки с нагревателями среднего размера •
2.2 Методики и особенности исследований
2.2.1 Выбор рабочих жидкостей
2.2.2 Определение граничных условий, расчет поля температур в нагревателях
2.2.3 Контролирование равномерности пленок жидкости и расходов газовой фазы
2.2.4 Тарировочные эксперименты по теплообмену
2.2.5 Визуализация течения жидкости и поля температур
2.2.6 Определение и измерение среднемассовой температуры пленки жидкости
2.2.7 Контроль испарения на поверхности стекающей пленки жидкости ■
2.2.8 Волоконно-оптический метод измерения толщины пленки
жидкости и регистрации двухфазной границы
2.2.9 Емкостный метод измерения толщины неизотермической пленки жидкости
2.3 Результаты главы
3. Гидродинамика всплытия пузырен
3.1 Влияние геометрии и положения каналов на движение пузырей
3.1.1 Всплытие пузырей в погруженных и выступающих каналах
3.1.2 Всплытие одиночных пузырей в неограниченном объеме жидкости и

тупиковых цилиндрических каналах
3.1.3 Всплытие пузырей в циркуляционных системах. Сравнение и анализ скоростей движения
3.2 Моделирование и анализ всплытия одиночных пузырей в неограниченном объеме жидкости и тупиковых цилиндрических каналах
3.2.1 Постановка задачи и анализ размерности
3.2.2 Неограниченный объем
3.2.3 Влияние стенок канала
3.3 Моделирование течения в погруженных каналах при движении пузырей
3.4 Результаты главы

4. Интенсификация теплообмена в двухфазных системах с естественной циркуляцией
4.1 Конвективный теплообмен при движении пузырей в прямоугольных погруженных каналах
4.2 Модель конвективного теплообмена при движении пузырей в прямоугольных погруженных каналах
4.3 Исследование теплообмена и кризиса при кипении диэлектрических жидкостей на нагревателях малых размеров в вертикальных каналах
4.4 Результаты главы
5. Формирование струйных течений при движении пленки жидкости по неизотермическим поверхностям
5.1. Режимы течения пленок жидкости
5.1.1 Течение пленок по нагревателям средних размеров
5.1.2 Изменение волнового .течения на поверхности пленки
5.1.3 Течение пленок по нагревателям малых размеров
5.2. Формирование струй 227 т
5.2.1 Трехмерные неоднородности на поверхности пленки жидкости
5.2.2 Длина волны возмущений и расстояние между струями
5.2.3 Градиенты температуры и термокапиллярные касательные напряжения на поверхности пленки воды
5.2.4 Измерение толщины пленки жидкости и волновых характеристик при формировании струй
5.2.5 Влияние, внешних возмущений, испарения и угла наклона
5.3 Анализ, сравнение и обобщение опытных данных
5.3.1. Механизмы влияния термокапиллярных сил на гидродинамику стекающей пленки жидкости
5.3.2. Обобщение опытных данных
5.4 Результаты главы
6. Теплообмен в стекающей пленке жидкости
6.1 Режимы теплообмена
6.1.1 Течение пленок FC-72 и воды по нагревателю 150x150 мм
6.1.2 Течение пленок воды и FC-72 по нагревателю 60x120 мм
6.1.3 Режимы теплообмена при течении пленок МД-ЗФ по
нагревателю 6.5x1 Змм
6.1.4 Режимы теплообмена при течении пленок МД-ЗФ по нагревателю

размером 2.22x68 мм
6.1.5 Характеристики и особенности основных режимов теплообмена
6.2 Основные параметры и критерии, характеризующие теплообмен в пленке жидкости
6.2.1 Сравнение с известными зависимостями
6.2.2 Основные факторы, влияющие на теплообмен в пленке
6.2.2 Безразмерные критерии. Область их влияния
6.3 Теплообмен в гладкой пленке жидкости
6.3.1 Теплообмен в пленке жидкости, стекающей по нагревателю 150x150 мм
6.3.2 Теплообмен в пленке жидкости, стекающей по нагревателям
малого размера
6.3.3 Моделирование влияния термокапиллярных сил на теплообмен
в стекающей пленке жидкости
6.4 Теплоотдача к пленке жидкости с трехмерными деформациями
6.4.1 Локальный теплообмен
6.4.2 Условно локальный теплообмен
6.4.3 Осредненный теплообмен
6.5 Результаты главы
Выводы
Список литературы

1.2.2. Теплообмен в стекающей пленке жидкости.
Теплообменные процессы в тонких пленках жидкости широко используются в различных отраслях промышленности, например, в испарителях низкого давления применяемых для концентрирования пищевых продуктов, в аппаратах для опреснения морской воды, энергетике, а также в ректификационных колоннах. На практике, как правило, реализуются пленочные процессы при достаточно больших числах Рейнольдса (Re=50-1000) из-за опасности кризисных явлений (разрыва пленок). Теплообмен и кризисные явления в стекающих пленках жидкости широко изучаются в литературе (Wilke, 1962), (Воронцов, Танайко, 1972), (Fujita, Ueda, 1978 а), (Нигматулин и др., 1981), (Ганчев, 1987), (Гимбутис, 1988), (Гогонин и др., 1993), (Kandlikar et al., 1999) и др.
Как правило, исследуются отдельные режимы теплообмена либо конвективный нагрев пленки жидкости без учета испарения, либо испарение с поверхности нагретой до температуры насыщения пленки жидкости (Гимбутис, 1988).
Аналогично течению в каналах (Петухов, 1967), исследователи подразделяют конвективный теплообмен в пленке на теплообмен на начальном участке и стабилизированный теплообмен. В первом случае, происходит рост теплового пограничного слоя и обусловленное этим существенное изменение коэффициента теплоотдачи по длине пробега пленки. При этом может происходить одновременный рост гидродинамического и теплового пограничных слоев, или рост только теплового пограничного слоя, если перед участком теплообмена имеется адиабатический участок для стабилизации течения.
В случае стабилизированного теплообмена считается, что динамический и тепловой пограничные слои равны толщине пленки. Как правило, предполагается, что коэффициент теплоотдачи не изменяется по длине пробега пленки и не зависит от плотности теплового потока. Однако, это утверждение выполняется приближенно из-за изменения температуры пленки по длине пробега и волнообразования.
Теплообмен в начальном участке стекающей плоской пленки жидкости аналогичен теплообмену в начальном участке канала (Гимбутис, 1988) и впервые был рассмотрен Гретцом в 1885 году. Теоретические исследования теплообмена при ламинарном течении пленки и граничном условии на стенке ?V=const были начаты в работах (Nusselt, 1916, 1923). В общем случае динамика и теплообмен при течении пленок описываются уравнениями Навье-Стокса, однако, для целого ряда процессов удовлетворительные результаты дает применение уравнений в приближении пограничного слоя.
Теплообмен в пленке на начальном участке.
Теплообмен в ламинарно стекающей пленке на начальном участке рассмотрен в работе (Накоряков и Григорьева, 1980). В пределах теплового пограничного слоя также использовалась линейная аппроксимация профиля скорости. Математическая постановка задачи имеет вид:
gh дТ д2Т
—у— = а—-v дх ду
У— = а— (1.2.2.1)
Граничные условия: T(y=0)=Tfy, Т(у=<х>)=Т0.