ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2013, том 51, № 2, с. 294-300
УДК 532.62;536.4
ТЕРМОКАПИЛЛЯРНЫЕ ЭФФЕКТЫ В НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛЕНКЕ ЖИДКОСТИ ПРИ ВЫСОКИХ ЧИСЛАХ РЕЙНОЛЬДСА
© 2013 г. Е. А. Чиннов
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск E-mail: chinnov@itp.nsc.ru Поступила в редакцию 27.03.2012 г.
Выполнено исследование температурых и волновых характеристик течения пленки воды при Re = 300, стекающей по вертикальной пластине с нагревателем. При помощи флуоресцентного метода измерено поле толщин пленки при различных значениях теплового потока. С использованием инфракрасного сканера измерено температурное поле на поверхности пленки. Получены экспериментальные данные по изменению температуры на поверхности пленки жидкости от времени при прохождении волн. При нагреве стекающей жидкости термокапиллярные силы приводят к формированию струй и тонкой пленки между ними. Осреднение измерений позволило определить степень поперечной деформации пленки. Выделено два механизма влияния термокапиллярных сил на движение волновой пленки жидкости. Впервые обнаружено проявление столь сильных термокапиллярных эффектов в нагреваемой пленке жидкости при высоких числах Рейнольдса.
ВВЕДЕНИЕ
Теплообменные процессы в пленках жидкости широко используются в промышленных технологиях. На практике, как правило, из-за опасности кризисных явлений (разрыва пленок) реализуются пленочные процессы при достаточно больших числах Рейнольдса (Яе = 50—1000). Ранее считалось, что в этих условиях термокапиллярные эффекты не оказывают заметного влияния на гидродинамику и теплообмен в стекающих пленках жидкости. Соответствующие инженерные методики расчета строились без учета влияния термокапиллярных сил [1].
Эффект образования термокапиллярной регулярной структуры при локальном нагреве стекающей пленки жидкости был обнаружен при малых числах Рейнольдса (Яе = 1—4) на плоских нагревателях малого размера [2, 3]. Далее последовали обнаружение двух типов структур на поверхности пленки жидкости [4] и исследование механизмов управления этим процессом [5, 6]. Основная часть исследований воздействия термокапиллярных сил на гидродинамику и теплообмен в стекающих пленках жидкости была выполнена при малых и умеренных числах Рейнольдса (Яе < 50). В работе [7] исследовалось формирование струй в стекающей пленке жидкости при Яе = 33. Проводились измерения локальной толщины пленки при помощи флуоресцентного метода. В [8] были исследованы волновые характеристики стекающей пленки жидкости с использованием емкостного и флуоресцентного методов. Число Рей-нольдса пленки изменялось от 22 до 33. Изучалось влияние поперечных и продольных термокапил-
лярных эффектов на формирование струй и волнообразование. В работе [4] в экспериментах с водой и жидкостью БС-72 исследовано формирование регулярных струй при течении пленки жидкости в области двухмерных и трехмерных волн на вертикальном нагревателе размером 150 х 150 мм. Описаны два режима формирования струй. Обнаружено, что при термокапиллярно-волновом механизме вертикальные струи формируются на неоднород-ностях в толщине пленки по гребням двухмерных волн при их распаде на трехмерные или на развитых синхронных трехмерных волнах. В работе [9] проводились экспериментальные исследования регулярных струйных течений в пленках криогенных жидкостей, стекающих по обогреваемым поверхностям. Использование высокоскоростной термографической съемки [10] позволило установить существование термокапиллярных структур в остаточном слое жидкости между фронтами крупных волн.
Наибольший интерес вызывает исследование воздействия термокапиллярной неустойчивости на наиболее распространенные в природе и технике трехмерные волны. При распаде двумерных волн на трехмерные в работах [11, 12] выделяют синхронные волны, когда отсутствует фазовое смещение волн в поперечном направлении, и субгармонические волны, когда фазовое смещение имеет место. Показано, что длина волны неустойчивости к поперечным трехмерным возмущениям убывает с ростом числа Рейнольдса. В работе [13] исследовано распространение двухмерных и трехмерных волн по вертикально стекающей изотермической пленке воды при Яе = 10—100, а также воздействие на них искусственных возмуще-
ний. Экспериментально было показано, что трехмерные волны при числах Рейнольдса > 40 отличаются от течения для меньших чисел Рей-нольдса большим количеством подковообразных волн и впадин между ними на участке одинаковой ширины поперек потока. При Яе > 40 двухмерные волны неустойчивы к поперечным возмущениям с длиной волны, примерно равной 20 мм. Они распадаются на трехмерные волны, которые сильно взаимодействуют и объединяются друг с другом. При Яе < 20 длина волны неустойчивости к поперечным трехмерным возмущениям возрастает до 30 мм и более. Теоретическое исследование влияния термокапиллярных сил на волновое течение пленки жидкости ограничено только двухмерными волнами [14, 15], где показано, что при нагреве подложки, термокапиллярные силы вызывают рост амплитуды двухмерных волн.
В [16] выполнено экспериментальное исследование эволюции трехмерных солитонообразных волн в термокапиллярно-волновые структуры при нагреве вертикально стекающей пленки воды при Яе = 10. Показано, что на трехмерном фронте гидродинамической волны появляются температурные неоднородности, которые за счет действия термокапиллярных сил приводят к деформации пленки жидкости и формированию струй. В работе [17] с использованием флуоресцентного и тепловизионного методов выполнено исследование влияния искусственных возмущений на динамику поверхности неизотермической пленки жидкости. Изучалось нестационарное развитие волновых и тепловых характеристик пленки от момента воздействия искусственного возмущения с "наиболее опасной" длиной волны. Установлено, что на процесс изменения расстояния между струями существенное воздействие оказывают интенсивность вводимых возмущений и характеристики волн, натекающих на нагреватель. Зарегистрирован рост амплитуды волн на фронте распространяющегося возмущения.
В последнее время обнаружена деформация пленки жидкости в области начального теплового участка при Яе = 200—300. Показано, что закономерности формирования струй при высоких числах Рейнольдса отличаются от ранее исследованных режимов. В работе [18] установлено, что сочетание сильных волновых и термокапиллярных эффектов может приводить к значительному уменьшению длины начального термического участка. Данные, полученные скоростной инфракрасной камерой, показали, что в межструйной области, образующейся между гребнями развитых трехмерных синхронных волн, уже при малых тепловых потоках на расстоянии 7—10 мм от верхнего края нагревателя формируются зоны с температурой, превышающей начальную температуру пленки [19]. Установлено, что в области струй, формирующихся по гребням трехмерных син-
хронных волн, длина начального теплового участка больше, но она резко уменьшается с ростом плотности теплового потока. Анализ данных по толщине пленки, полученных флуоресцентным методом, показал, что в областях между синхронными трехмерными волнами средняя толщина пленки меньше даже при отсутствии нагрева. Соответственно, уменьшаются значения локального пленочного числа Рейнольдса и расстояния до появления температурных неоднород-ностей. В этих местах уже при относительно малых тепловых потоках проявляется влияние термокапиллярных сил, что в конечном итоге приводит к существенному уменьшению длины начального термического участка. Поставлено под сомнение использование для расчета теплообмена в стекающих пленках жидкости формул из [1], основанных на гипотезе существенного влияния начального термического участка.
К настоящему времени совместное влияние волновых и термокапиллярных факторов на гидродинамику стекающей пленки жидкости при высоких числах Рейнольдса остается малоизученным. В данной работе исследуются волновые и температурные характеристики течения неизотермической пленки воды при Яе = 300 с использованием флуоресцентного и тепловизионного методов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
Стенд представлял собой замкнутый циркуляционный контур, включающий резервуар с электронасосом, ротаметр, рабочий участок с нагревателем, расположенным на вертикальной пластине, и фильтр. Рабочая жидкость с помощью насоса подавалась в пленкоформирователь, который включал накопительную камеру, распределительное устройство и сопло с калиброванной плоской щелью.
В качестве нагревателя использовался плоский теплообменник шириной 150 мм и высотой 100 мм из меди с прямоугольными каналами внутри для движения нагретой жидкости. Температура обращенной к пленке стенки нагревателя измерялась тремя термопарами, расположенными на вертикальной оси симметрии. Температура воды на входе и выходе из нагревателя измерялась двумя термопарами. Каждая термопара была помещена в тщательно теплоизолированную смесительную камеру из нержавеющей стали. В камере поток натекал на расположенный в центре цилиндрического канала капилляр с термопарой.
Расстояние от распределительного устройства до нагревателя Хп составляло 263 мм. Число Рейнольдса пленки равнялось 300 (Яе = Г/ц, где Г — массовый расход жидкости на единицу ширины пленки, ц — коэффициент динамической вязко-
(а)
h, мм
1.0-1 0.5 -
0 100
Z, мм 6°40
h, мм
1.0 0.5
0
(б)
-<"1010 50 30 70 X, мм
90
100
Z, мм 40
90
"3010 50
70 X, мм
(в)
h, мм 0.40.2 ■
100' 8
Z, мм
h, мм
0.6 -I
(г)
40'
90
30 10 50 30 70 X, мм
60' Z, мм 40
90
70
10
X, мм
Рис. 1. Трехмерные распределения толщин в нагреваемой пленке жидкости при Яе = 300; мгновенные: (а) — q = 1.8 Вт/см2, (б) — 5.5; осредненные по 60 измерениям: (в) — 1.8 Вт/см2, (г) — 5.5.
сти жидкости). Плотность теплового потока варьировалась в пределах 1—8 Вт/см2.
Для определения толщины и волновых характеристик пленки использован модифицированный флуоресцентный метод. В качестве красителя применялся Родамин 6Ж, который не является поверхностно-активным веществом и его флуоресцентные свойства не зависят от температуры при низких концентрациях раствора. Аппаратный ко
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.