Динамика и теплообмен в ручейковых течениях и каплях жидкости

• Автор: Барташевич, Мария Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 169 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН В ПЛЕНКАХ, РУЧЕЙКАХ И КАПЛЯХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Жидкие пленки

1.2. Ручейковые течения

1.3. Капли на твердой поверхности

1.4. Явления смачивания

1.5. Охлаждение микроэлектронного оборудования пленками жидкости

1.6. Термокапиллярные явления в тонких слоях жидкости

ГЛАВА 2. НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ РУЧЕЙКОВОЕ ТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ЩЕЛЕВОМ КАНАЛЕ

2.1. Балансные соотношения на поверхности раздела фаз

2.2. Постановка задачи
2.3. Экспериментальные данные
2.4. Модель изотермического ривулетного течения в канале
2.5. Численное решение
2.6. Модель движения изотермического ривулета по горизонтальной поверхности под 84 действием касательного напряжения
2.7. Упрощенное линейное уравнение
2.8. Численные расчеты
2.9. Исследование режима микрогравитации
2.10. Исследование влияния соотношения расходов газа и жидкости

2.11. Движение ривулета, по наклонной поверхности под действием гравитации
2.12. Движение ривулета по вертикальной поверхности
2.13. Движение ривулета, по наклонной поверхности под действием гравитации и
спутного потока газа
ГЛАВА 3. ТЕПЛООБМЕН В ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ КАПЛЕ НА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В ГРАВИТАЦИОННОМ ПОЛЕ И В СФЕРИЧЕСКОЙ КАПЛЕ В НЕВЕСОМОСТИ
3.1. Математическая модель неизотермической капли, лежащей на горизонтальной поверхности
3.2. Расчет формы профиля и радиуса капли
3.3. Численное решение уравнений тепловой конвекции в профиле капли
3.4. Результаты численного решения уравнений тепловой конвекции в профиле капли
3.5. Задача об испарении сферической капли в нейтральный газ
3.6. Численное решение
Заключение
Основные обозначения
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Ручейковые течения жидкости и капли широко распространены в природе, используются в технике и перспективны в новых высокоинтенсивных теплообменниках. Перспективными считаются конденсаторы и теплообменники со слабонаклонными трубами. Основной формой движения жидкости по наклонной поверхности является ручсйковос течение, также на поверхности теплообмена возможна реализация режима капельной конденсации [Алексеенко и др., 19976].
Многие процессы в ручейках и каплях близки к пленочным процессам и процессам в горизонтальных слоях жидкости. Пленки хорошо изучены [Алексеенко и др., 1992]. Высокая эффективность использования тонких пленок определяется малым удельным расходом жидкости и интенсивным теплообменом за счет большой площади контакта “плёнка-подложка”. Многие процессы могут быть оптимизированы за счет утонынения пленки, в частности достигнут тепловой поток до 400 Вт/см2 [Kabov & Zaitsev, 2009]. Возможны разрывы пленок, явления осушения поверхностей. Согласно [Silvi & Dussan 1985] тонкие пленки подвержены разрывам, появлению сухих пятен, а в определенных условиях сухие пятна начинают доминировать, и жидкость течет узкими струйками (ручейками).
В работе [Кабов, 1999] описаны регулярные структуры, которые также можно рассматривать как семейство стекающих ручейков, сопряженных по контактным линиям. В литературе [Алексеенко и др., 19976; Бобылев и др., 2007; Бобылев, 2009] понятие “ривулетное” течение используется равнозначно термину “ручейковое” течение, здесь также будут использоваться оба слова. Наличие протяженной тонкой пленки между ривулетами способствует интенсификации теплообмена. Актуальность рассмотрения теплообмена в капле жидкости и испарения взвешенной капли также определяется необходимостью усовершенствования технологии спрейного охлаждения поверхностей [Horacek et.al., 2005].
Характер течения жидкости определяется свойствами жидкости (физическими, химическими), удельным расходом жидкости, свойствами подложки (физическими, химическими, геометрическими), касательным напряжением на межфазной поверхности, наличием линий трехфазного контакта “жидкость-твердое тело - газ”, действием массовых сил (уровнем гравитации). На движение ручейка определяющее влияние оказывает краевой угол смачивания [Towell & Rothfeld, 1966], течение может быть волновым, трехмерным, змеевидным или даже жгутообразным [Schmuki & Laso, 1990; Mertens et.al., 2005]. При малых расходах жидкости наблюдается распад ручейка на капли. Однако в ряде экспериментальных исследований удалось получить ручейковые течения (в том числе режимы с гладкой поверхностью) с однозначными характеристиками [Алексеенко и др., 1997а; Alekseenko et.al., 2008; Kabov et.al., 2008; Kabov et.al., 2010а]. Также в последнее десятилетие наблюдается тенденция изучения явления смачиваемости на примере ручейковых течений [El-Genk & Saber 2002; Gajewski A., 2005; Gajewski A., 2008], в частности явления гистерезиса краевого угла смачивания.
Большое количество параметров осложняет построение математической модели течения жидкости. Для ручейкового течения по наклонной поверхности предложены модели, связывающие основные параметры течения (расход

твердая поверхность
Рис. 1.4.1. Определение контактного угла капли, сидящей на твердой поверхности.
Уравнение (1.4.1) известно, как уравнение Юнга. При этом, если соз(?,9=-1,
то натяжение на границе жидкость-твердое тело велико, жидкость не смачивает твердое тело. Твердое тело частично смачиваемое, если -Ксоя^ <0 (<9е? между л/
и л). Твердое тело смачивается, если (Хсоб#^ <1 (0 между л/2 и 0). Если созв1д
=1, то' краевой угол равен нулю, жидкость полностью смачивает твердое тело. Аналогичные вопросы рассмотрены [Вгайп еТа1., 2009], см. Рис.1.4.2. Краткая история изучения явления смачивания, основные понятия и определения, в том числе гистерезис смачивания, влияние шероховатости смачиваемой поверхности, её неоднородность, деформируемость и другие вопросы рассмотрены в монографии [Сумм & Горюнов, 1976].
Рис. 1.4.2. Различные варианты смачивания твердой поверхности каплей жидкости [Вгибп еСаГ, 2009].
Макроскопическое условие существования контактной линии состоит в том, что каждое из трех межфазных натяжений должно быть меньше суммы двух других [Роулинсон & Уидом, 1986], или наибольшее из трех натяжений должно быть меньше суммы двух меньших.
Краевой угол зависит от чистоты поверхности, шероховатости, метода обработки поверхности. В законе Юнга смачиваемая поверхность считается
Non-wetting situation 0>90 ’
Wetting situation
О <90°