Термокапиллярный разрыв стекающей пленки жидкости

• Автор: Зайцев, Дмитрий Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 115 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ДИНАМИКА И РАЗРЫВ СТЕКАЮЩИХ ПЛЕНОК ЖИДКОСТИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1 Динамика пленки жидкости, стекающей под действием гравитации

1.2 Термокапиллярные явления в тонких слоях жидкости

1.3 Разрыв стекающих пленок жидкости в изотермических условиях

1.4 Разрыв стекающих пленок жидкости в неизотермических условиях

1.5 Выводы. Постановка задач исследования

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Экспериментальный стенд и рабочие участки

2.2. Методика экспериментов

2.3. Волоконно-оптический датчик для измерения толщины стекающей пленки
жидкости
ГЛАВА 3. ТЕРМОКАПИЛЛЯРНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ПРЕДШЕСТВУЮЩИЕ РАЗРЫВУ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ.
3.1 Измерение термокапиллярных деформаций в пленке жидкости при ее
локальном нагреве
3.2. Исследование волнового течения пленки жидкости в неизотермических
условиях
3.3. Эволюция регулярных структур, предшествующих разрыву пленки, стекающей
по вертикальной и слабонаклоненной поверхности с локальным источником тепла
ГЛАВА 4. РАЗРЫВ СТЕКАЮЩЕЙ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ НА НАГРЕВАТЕЛЯХ РАЗЛИЧНОГО РАЗМЕРА.
4.1 Разрыв пленки жидкости, стекающей по вертикальной пластине с нагревателем 150x150 мм
4.2 Разрыв пленки МБ-ЗР стекающей по наклонной пластине с локальными нагревателями длиной вдоль потока 2и
4.3 Обобщение данных по разрыву пленки на различных нагревателях и анализ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
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. 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 тепло- и массообмена, однако тонкие пленки подвержены разрывам. Свободные от жидкости участки поверхности практически исключаются из процесса тепло-массообмена, что резко снижает эффективность аппаратов и может привести к выводу их из строя. Пленки широко используются в испарителях низкого давления пищевой промышленности. При испарении стекающих пленок происходит концентрирование сока, молока, сахарного сиропа. В этом случае разрыв пленок приводит к ухудшению качества продукта. Поэтому исследование условий, при которых происходит разрыв стекающих пленок жидкости, является весьма актуальной задачей, представляющей также и фундаментальный интерес, так как механизм разрыва остается до конца не выясненным [ВапкоГГ 1994].
Для гравитационно стекающей пленки жидкости обычно различают четыре вида разрушения: разрыв пленки в изотермических условиях, разрыв под действием эффекта Марангони (за счет действия термокапиллярных или капиллярно-концентрационных сил), утончение и разрыв испаряющейся пленки (высыхание), и оттеснение жидкости от поверхности нагрева при наступлении кризиса кипения. Для практических приложений большой интерес представляет разрыв недогретой пленки жидкости под действием термокапиллярных сил. Подавляющая часть экспериментальных исследований по термокапиллярному разрыву пленки жидкости выполнена на нагреваемых трубах длиной 0,5-2 м. В [Кабов 2000] исследовался разрыв пленки жидкости на локальном нагревателе 6,5x13 мм. Тепловой поток для разрыва пленки на локальном нагревателе оказался более чем на порядок выше теплового потока для разрыва на трубах. В литературе отсутствуют данные по разрыву пленки на нагревателях, занимающих промежуточное положение между локальными нагревателями и трубами. Характер и механизм влияния размера нагревателя на разрыв пленки не выяснен.
Целью работы является: получение новых экспериментальных данных и установление основных закономерностей по динамике и разрушению стекающей под действием гравитации пленки жидкости при ее неоднородном нагреве со стороны подложки; в частности, исследование влияния размера нагревателя, гидродинамического волнообразования и равновесного краевого угла смачивания на термокапиллярный разрыв пленки.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что автором впервые:
• В широком диапазоне физических параметров (расход жидкости, тепловой поток, начальная температура пленки, свойства жидкости, размер нагревателя, расстояние от распределительного устройства, угол наклона пластины) проведено систематическое экспериментальное исследование разрыва пленки жидкости на локальных нагревателях и на нагревателе средних размеров.

Дано качественное объяснение характера зависимости критического теплового потока от размера нагревателя и режима течения. Экспериментальные данные по термокапиллярному разрыву пленки в диапазоне чисел Рейнольдса 0,3-1500 и размера нагревателя 2,2-2200 мм обобщены единой степенной зависимостью.
• Установлено, что формирование струйного течения определяет разрыв
стекающей пленки жидкости не только на локальных нагревателях, но и на нагревателе средних размеров, как в ламинарной, так и в ламинарно-волновой области. Струи ограничивают распространение сухих пятен по нагревателю в поперечном направлении, способствуя более равномерному смачиванию поверхности нагрева жидкостью и, как следствие, затягиванию кризиса теплообмена.
• Показано, что расстояние между соплом и нагревателем, определяющее волновую структуру течения в области нагревателя, не оказывает заметного влияния на критический тепловой поток для разрыва пленки. Дано качественное объяснение данному факту с использованием локальных измерений толщины пленки в межструйной области.
• Обнаружено, что равновесный краевой угол смачивания в диапазоне
11,3-49,1° не оказывает заметного влияния на термокапиллярный разрыв пленки жидкости.
• Произведена адаптация волоконно-оптической методики измерения
толщины пленки для проведения измерений в области нагревателя. Установлено, что под действием термокапиллярных сил пленка утончается до определенной толщины, после чего внезапно разрывается. Обнаружено, что для нагреваемой волновой пленки жидкости снижение амплитуды волн между струями связано с уменьшением локального числа Рейнольдса и качественно соответствует законам «холодной» гидродинамики.
Достоверность полученных данных подтверждена оценкой величины ошибок измерений, постановкой специальных тестовых экспериментов, сравнением с экспериментальными и теоретическими результатами других авторов, а также использованием специально разработанных методик экспериментов.
Практическая ценность. Полученные результаты и обобщающие расчетные соотношения позволяют осуществлять научно обоснованный выбор оптимальных размеров и параметров работы различных аппаратов, характеризующихся развитием сухих пятен. Обнаруженные струйные режимы течения могут бьггь использованы для предотвращения перегрева и разрушения теплоотдающей поверхности в режимах с образованием сухих пятен.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались автором на: VI и VII Всероссийской конференции молодых ученых "Современные вопросы теплофизики и физической гидродинамики", Новосибирск, 2000, 2002 (дипломы III и I степени соответственно); Конкурсе лучших работ молодых ученых ИТ СО РАН, Новосибирск, 2001, 2003 (диплом III степени); Семинаре ИТ СО РАН под руководством чл.-корр. РАН С.В. Алексеенко, Новосибирск, 2001, 2003; Конференции молодых ученых, посвященной М.А. Лаврентьеву, Новосибирск, 2001; Третьей Российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 2002 (лучший стендовый доклад); XIV международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках", Рыбинск, 2003 (лучший доклад); Пой научной школе-

0,7 кг/мс, <7=(10-30)хЮ4 Вт/м2). Отмечалось, что положение места разрыва не зависело ни от тепловой нагрузки, ни от начальной температуры жидкости и располагалось на расстоянии 0,4-0,8 м от входа. Было установлено, что диаметр трубы не оказывает влияние на Г^р, что не согласуется с результатами экспериментов [Дорохов 1982]. Полученные данные, а также данные из литературы обобщены при помощи соотношения вида
Кєі<ір~Гйр/ р-С КрИ
Рг* (1.4.24)
Поскольку характер зависимости различен для различных режимов
течения, выделены четыре характерные области изменения Яе^р и Кр, для каждой из которых определены значения постоянных С,п,т и к.
В работе также представлена математическая модель термокапиллярного разрыва пленки, которая основывается на следующих допущениях. Разрыв пленки произойдет в том случае, если между крупными волнами имеются тонкие слои жидкости с ламинарным режимом течения, и если время, необходимое для термокапиллярного разрыва меньше времени между прохождением над контрольным участком с тонким слоем двух последовательных крупных волн. Считается, что разрыв пленки во впадине между большими волнами происходит в два этапа: 1) локальное утончение пленки под действием термокапиллярных сил; 2) резкий разрыв пленки после достижения ею в месте наибольшего утончения некоторой критической толщины, которая соответствует разрыву пленки в изотермических условиях.
В [Но й а1. 1995] проведено теоретическое и экспериментальное исследование влияния нагрева стенки на устойчивость течения пленки по вертикальной поверхности. Предполагалось, что на стенке выполняется условие На
границе раздела рассматривалось два условия: 1) теплоизоляции (<у,=0) и 2) ЧГЧпгсопэ!. Предполагалось, что температура и флуктуации касательного напряжения на границе раздела несущественно отличаются для обоих условий (ТгТм- т, =-а^^Х)(с1о1с1Т){д11/дх), где штрихом обозначены флуктуации,
а а,=5/8 и 1 для условий 1) и 2) соответственно). Получена зависимость для критического расхода жидкости, требуемого для начала развития неустойчивости
2£т- _ °*л . а№а!йТ^ш
ті—^Гсг ----+-------:
15 и р рл

(1.4.25)
Расчеты для /1=10-30 мм, показали, что существует два критических расхода жидкости. Для “больших” расходов имеет место гидродинамическая неустойчивость. Для “малых” расходов неустойчивость появляется вследствие влияния эффекта Марангони. При малых расходах и больших значениях Цу первым членом справа можно пренебречь. Для минимального расхода, при котором граница раздела теряет устойчивость в этих условиях, получено выражение
Гпсг -
/15 аДЛт/^Г)^2'3 2-31/3^2/
(1.4.26)