Термографическое исследование пленки жидкости стекающей по поверхности с локальным источником тепла

• Автор: Марчук, Игорь Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 104 с. : ил

С О Д Е Р ж Л н и к

Глава 1. Термокапиллярные явления в тонких слоях жидкости. Инфракрасная термография, (обзор литературы).

1.1 Динамика гравитационно стекающих жидких пленок

1.2 Термокапиллярные явления в тонких слоях жидкости

1.3 11риближение гонкого слоя

1.4 Измерение температурных полей посредством инфракрасной термографии. •

Глава 2. Методика проведения экспериментов.

2.1 Экспериментальный стенд и рабочий участок

2.2 Методика измерения температуры поверхности пленки

2.3 Излучение внутренних слоев жидкости

2.4 Численное моделирование теплопроводности в нагревательном элементе 38 и теплообмена нагревателя с пленкой.
2 5 Специальные возможности программы обработки термотрамм
Глава 3. Распределение температуры на поверхности локально-нагреваемой стекающей пленки.
4.1 Термограммы поверхности пленки для вертикального положения 51 нагревателя.
4.2 Термограммы поверхности пленки .для наклонного положения 59 нагревателя.
4 3 Градиент температуры и касательные напряжения на границе раздела
Глава 4. Численное моделирование локально нагреваемой стекающей стекающей пленки жидкости при наличии тсрмокапиллярных эффектов.
4.1 Постановка задачи и анализ масштабов
4.2 Определение толщины пленки и поля скоростей при известной 78 температуре поверх пост и.
4.3. Расчет гемиературио! о ноля в пленке при известном поле скоростей
4.4 Совместный расчсг температурною ноля н поля скоростей и илсикс
4.5 Учет температурной нише и мости вязкости
4 6 Сравнение результант расчета с экспериментальными данными
- ^ *, ч*
Основные обозначении •
Ли I ера I ура л У

Актуальность работы
Использование тонких пленок жидкости. Тонкие пленки жидкости широко используются в технологических процессах, так как обеспечивают высокую интенсивность тепло-массопереноса и значительную поверхность контакта фаз при малых удельных расходах жидкости, и в ряде случаев незначительные потери давления [Тананайко и Воронцов 1975, Алексеенко Накоряков Покусаев 1992]. Пленочные течения специально создаются в различных аппаратах химической технологии, пищевой, фармацевтической промышленности, в криогенной индустрии. Гравитационно стекающие пленки, например, используются в испарителях низкого давления, применяемых для концентрирования пищевых продуктов, в аппаратах для опреснения морской воды, а также в ректификационных колоннах. Перспективными являются пленочные системы охлаждения электронных компонентов. Тонкие пленки жидкости могут также возникать при движении двухфазных потоков в каналах испарительно-конденсационных систем. Снижение толщины стекающего слоя жидкости позволяет интенсифицировать процесс теплообмена, однако тонкие пленки подвержены разрывам. Свободные от жидкости участки поверхности исключаются из процесса тепло-массообмена, что резко снижает эффективность аппаратов. Чтобы избежать разрывов, в пленочных аппаратах обычно расход жидкости в несколько раз превосходит количество испаряемой жидкости.
Особенности пленочных течений. Часто существенное влияние на движение пленок производит эффект Марангони, вызванный градиентом температуры или градиентом концентрации компонентов на границе раздела жидкость-газ. Отличительной чертой жидких пленок являются: существенное влияние капиллярных эффектов, неустойчивость течений, нелинейность и трехмерность процессов, а также многообразие форм свободной границы раздела. До настоящего времени расчетные модели большинства пленочных процессов в неизотермических условиях не учитывают всех факторов и требуют экспериментальной проверки. Особое значение имеют экспериментальные данные по микроструктуре пленочных течений, позволяющие проводить прямую проверку гипотез, сформулированных при построении теоретических моделей.
В 1994 г. в Институте теплофизики СО РАН д.ф.-.м.н O.A. Кабовым было обнаружено явление формирования пространственной самоорганизующейся 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. Гипотезу о термокапиллярной природе механизма образования структур было предложено проверить на основании измерений температуры поверхности пленки с помощью инфракрасного сканера.
Инфракрасная термография как метод дистанционного измерения температуры является наиболее подходящим для исследования температурных полей на поверхности жидких пленок. Метод ИК термографии в экспериментальных исследованиях в последние годы находит все большее применение и бурно развивается. Это па сегодняшний день практически единственный универсальный

метод, позволяющий получать мгновенное поле температур на поверхности исследуемого объекта. Анализ большого объема информации, содержащийся в термограммах, требует применения вычислительной техники и разработки специальных алгоритмов.
Цель работы Целью данной работы является получение основных закономерностей течения локально-нагреваемой пленки жидкости в условиях существенного влияния термокапиллярной конвекции на основе информации о распределении температуры на поверхности жидкости и численных расчетов.
Научная новизна работы заключается в том, что автором впервые:
• Создана методика термографического исследования гравитационно стекающих жидких пленок. Разработано специальное программное обеспечение для обработки термограмм, полученных на различных ИК камерах.
• Получены распределения температуры и градиента температур на поверхности стекающей пленки жидкости при локальном нагреве в широком диапазоне режимных параметров эксперимента (толщина пленки, плотность теплового потока, свойства жидкости, угол наклона пластины).
• Прямыми измерениями температурного поля обоснована термокапиллярная природа регулярных подковообразных структур, возникающих на поверхности локальнонагреваемой стекающей пленки жидкости.
• Выполнены численные расчеты плоскопараллельного стационарного движения пленки жидкости по пластине с локальным источником тепла в приближении тонкого слоя с учетом термокапиллярного эффекта и температурной зависимости вязкости, а также перераспределения теплового потока в нагревательном элементе. Показано, что в горизонтальном вале жидкости при образовании регулярны структур имеет место термокапиллярное возвратное течение.
• На основе численных расчетов установлено, что величина максимальной деформации свободной поверхности жидкости в момент возникновения возвратного течения составляет 30-40% начальной толщины пленки, чтс подтверждается имеющимися экспериментальными данными.
Достоверность полученных данных подтверждена оценкой величины ошибо. измерений, постановками специальных тестовых экспериментов, сравнением экспериментальными и теоретическими результатами других авторов, а таюк использованием специально разработанных методик экспериментов.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанна методика измерения температуры поверхности жидких пленок позволяет получат качественно новую информацию при исследовании процессов в неизотермически пленках жидкости. Созданное автором программное обеспечение для обработк термограмм используется при проведении экспериментальных исследований, а такж в диагностических медицинских центрах как в России, так и за рубежом. Полученны экспериментальные данные могут быть использованы при создании и апробаци новых методов расчета двухфазных течений.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 1 печатных работ. Результаты работы докладывались автором диссертации на Международной конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 1997), на семинаре «Физически гидродинамика» в Институте теплофизики под руководством чл.-корр. РАН

Рис 2.13 Иллюстрация возможностей программного обеспечения обработки термограмм