МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА <4 • 2008
УДК 532.62:536.21
© 2008 г. О. А. КАБОВ, И. В. МАРЧУК, А. В. САПРЫКИНА, Е. А. ЧИННОВ
ПУЛЬСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ И ТЕРМОКАПИЛЛЯРНЫЕ ЭФФЕКТЫ
НА ПОВЕРХНОСТИ ВОЛНОВОЙ НАГРЕВАЕМОЙ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ
Выполнено исследование пульсаций температуры и волновых характеристик течения пленки воды по вертикальной пластине с нагревателем. С использованием инфракрасного сканера измерено температурное поле на поверхности пленки при различных значениях плотности теплового потока на нагревателе. Получены экспериментальные данные по изменению во времени температуры на локальном участке поверхности пленки жидкости при прохождении волн. В отсутствие теплового потока полученные данные хорошо согласуются с результатами других исследователей для изотермической пленки жидкости. При нагреве стекающей жидкости термокапиллярные силы приводят к формированию струй и тонкой пленки между ними. Показано, что эффект роста относительной амплитуды волн в межструйной области обусловлен действием термокапиллярных сил.
Ключевые слова: термокапиллярность, пленка, пульсации температуры, волны, формирование струй.
В промышленных процессах широко распространены течения нагреваемых и реагирующих пленок жидкости, в то время как экспериментально и теоретически исследуются в основном волновые характеристики изотермических пленок. Полученные данные часто применяются для описания неизотермических пленок, что не всегда обосновано. Важно установить механизм влияния термокапиллярных сил на волновые характеристики течения и деформацию пленок при их нагреве.
Формирование регулярных подковообразных структур (продольных волн) в гладкой пленке жидкости, стекающей по вертикальной плоскости с нагревателем размером 6.5 х 13 мм при малых числах Рейнольдса (Яе < 10), обнаружено в [1]. Регулярные структуры возникали при достижении порогового значения плотности теплового потока и представляли собой вал жидкости, из которого стекали периодические струйки с тонкой пленкой между ними. Измерения инфракрасной камерой температуры поверхности пленки жидкости показали, что структуры имеют термокапиллярную природу. В экспериментах были достигнуты значительные градиенты температуры (до 15 К/мм) на поверхности пленки. Дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования показали, что развитие подковообразных структур также определяется числом Рейнольдса пленки и поверхностным натяжением [2], углом наклона поверхности к горизонту [3] и зависимостью вязкости жидкости от температуры [4, 5].
Термокапиллярно-волновой механизм образования струй обнаружен и исследован в [6]. В [7, 8] волоконно-оптическим датчиком отражательного типа, установленного со стороны свободной поверхности пленки, выполнено измерение толщины пленки жидкости в межструйной области. Установлено, что при увеличении плотности теплового потока пленка между струями утончается и к моменту разрыва составляет 50-60% от толщины пленки, рассчитанной по формуле Нуссельта. Волновое течение сохраняется вплоть до разрыва, но амплитуда волн снижается в 3-4 раза. Показано, что полученные данные по зависимости амплитуды волн от локального числа Рейнольдса имеют ту же тенденцию, что и данные, приведенные в [9], для изотермической пленки.
Емкостный метод применен в [10] для исследования волновых характеристик пленки воды при формировании струй на вертикальном нагревателе при разных длинах пробега пленки от сопла до верхнего края нагревателя. Использовалось четыре емкостных датчика, которые располагались в шахматном порядке. При нагреве пленки и формировании струй пара датчиков была установлена в межструйной области, а другая пара в зоне движения гребня струи. Анализ данных по изменению относительной амплитуды волны не позволил установить влияние термокапиллярных эффектов.
Теоретическое исследование влияния термокапиллярных сил на двумерные волны выполнено в [11, 12]. Показано, что при нагреве подложки термокапиллярные силы вызывают рост амплитуды двумерных волн.
Измерения волновых характеристик пленки одиночными оптоволоконным и емкостным датчиками не позволили сделать вывод об увеличении амплитуды волн при нагреве пленки, что не согласуется с теоретическими положениями [11] и наблюдениями [12] для двумерных волн. Одна из возможных причин этого противоречия - использование одиночных датчиков и невозможность точной идентификации их расположения относительно формирующихся на поверхности пленки структур. В рассмотренных работах выполнены исследования нагреваемой пленки жидкости только при Re = 22. Другая причина заключалась в недостаточности экспериментальных данных по характеристикам изотермической пленки жидкости при соответствующих длинах пробега пленки, что затрудняло сравнение.
В настоящей работе исследуются волновые характеристики течения неизотермической пленки воды с использованием емкостного, флуоресцентного и тепловизионного методов.
1. Экспериментальная установка и методика измерений. Стенд представлял собой замкнутый циркуляционный контур, включающий резервуар с электронасосом, рабочий участок и фильтр. Рабочая жидкость с помощью насоса подавалась в пленкоформиро-ватель, включающий накопительную камеру, распределительное устройство и сопло с калиброванной плоской щелью. Использовался рабочий участок с нагревателем размером 150 х 150 мм, расположенным на вертикальной пластине. Подробное описание экспериментальной установки и конструкции нагревателя приведено в [13].
При течении пленок воды в области исследуемых значений Re на поверхности нагревателя реализовывалось условие постоянства плотности теплового потока q = const. Расстояние от распределительного устройства до нагревателя Xn составляло 120 и 200 мм. Число Рейнольдса пленки изменялось от 22 до 33 (Re = Г/ц, где Г - массовый расход жидкости на единицу ширины пленки, ц - коэффициент динамической вязкости жидкости). Начальная температура жидкости равнялась T0 = 24°С. Температура поверхности нагреваемого элемента измерялась термопарами.
Использовалось восемь емкостных датчиков, которые располагались в горизонтальной линии на расстоянии Xt = 144 мм от верхнего края нагревателя. Длина пробега пленки X = Xn + Xt до точки измерений равнялась 264 и 344 мм. Расстояние между датчиками составляло 2.5 мм и существенно превосходило размер самого датчика 0.5 мм. В экспериментах применялась аппаратура и программное обеспечение, разработанные в Институте теплофизики СО РАН с оригинальной тарировкой емкостного метода, которые подробно описаны в [14]. Показано, что электрические поля были локализованы в измерительной области датчика и не оказывали влияния на характеристики соседнего. Пространственное разрешение метода не хуже 1 мм.
Особенность измерения толщины нагреваемой пленки жидкости - неравномерность температуры. Диэлектрическая проницаемость воды зависит от температуры, что может привести к дополнительной погрешности в измерении толщины. Однако для воды, диэлектрическая проницаемость которой намного выше проницаемости воздуха, основной вклад в измеряемую емкость датчика вносит емкость воздушного зазора. Специальные тарировочные эксперименты показали, что измеряемая безразмерная средняя тол-
щина пленки воды практически не зависит от температуры. Погрешность метода зависит от толщины пленки жидкости и расстояния от поверхности пленки до датчика. Для примененного типа датчиков точность измерения толщины неизотермической пленки при Яе = 20-40 составляла 3%.
Для определения толщины и волновых характеристик пленки использован модифицированный флуоресцентный метод. На качественном уровне возможность использования этого метода для диагностики неизотермических пленок была продемонстрирована в [15]. В отличие от традиционных схем [16, 17] источник и приемник излучения в данных экспериментах расположены с одной стороны от поверхности пленки. В качестве красителя применялся Родамин 6Ж, который не является сурфактантом, и его флуоресцентные свойства не зависят от температуры при низких концентрациях раствора. Аппаратный комплекс системы основан на базе стандартного Р1У измерителя скорости фирмы "БаШес". Для возбуждения флуорофора используется сдвоенный импульсный №УАО лазер, освещающий на пластине площадку размерами 120 х 120 мм. Переизлученный флуорофором свет регистрируется работающей в режиме двойного кадра цифровой Р1У камерой с красным светофильтром. В таком режиме рабочий цикл камеры состоит из регистрации двух изображений через заданный интервал времени, который может программно задаваться в диапазоне от 2 мкс до 56 мс. Время экспозиции каждого кадра равно длительности лазерного импульса (10 нс). Максимальная частота повторения циклов при работе системы в непрерывном режиме - 7.5 Гц. При проведении измерений на площади 100 х 100 мм система обеспечивает пространственное разрешение 0.1 мм. Точность определения толщины составляет 5-10 мкм для пленок толщиной 200400 мкм.
Измерения температуры поверхности пленки жидкости проводились с помощью инфракрасной камеры СОВА 2-М [1]. Приемник излучения - одноэлементный, охлаждаемый жидким азотом фотодиод кадмий-ртуть-теллур. Регистрируемый диапазон инфракрасного излучения 3.5-5.5 мкм. Развертка механическая посредством двух вращающихся германиевых призм. Сканер работал в двух режимах сканирования. В обычном режиме осуществлялось покадровое сканирование со скоростью 1 кадр за 1.2 с. Время между кадрами 1.91 с. Размер кадра 192 х 192 элемента и соответствует в экспериментах прямоугольной области поверхности пленки с размером 180 х 240 мм. В эксперименте после выхода на заданный режим теплообмена записывается 2-3 мгновенных термограммы и одна усредненная по 20 кадрам в течение 38 с.
Во втором режиме сканирование производится при остановленной кадровой призме, т.е. без кадровой развертки. При этом с большой частотой измеряется температура поверхности пленки жидкости вдоль заданной линии. Время сканирования одной строки 0.061 с. Частота измерений температуры составляет 160 Гц. Длина строки равна также 192 пикселям и соответственно 180 мм на поверхности пленки. Запись производится кадрами, в каждом кадре
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.