ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 2, с. 246-251
УДК 532.62;536.4
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗМУЩЕНИИ НА ДЛИНУ НАЧАЛЬНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО УЧАСТКА
© 2014 г. Е. А. Чиннов, С. С. Абдуракипов
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск Новосибирский государственный университет E-mail: chinnov@itp.nsc.ru Поступила в редакцию 10.04.2013 г.
Выполнено экспериментальное исследование длины начального теплового участка при высоких числах Рейнольдса (Re = 300 и 500) в пленке воды, стекающей по вертикальной пластине с нагревателем, в отсутствие и при воздействии искусственных возмущений с "наиболее опасной длиной волны". При помощи флуоресцентного метода измерено поле толщин пленки при различных значениях теплового потока. Данные, полученные скоростной инфракрасной камерой, показали, что в межструйной области, образующейся между гребнями развитых трехмерных синхронных волн, при воздействии внешними возмущениями длина начального теплового участка увеличивается, а в области струй уменьшается.
DOI: 10.7868/S0040364414020069
ВВЕДЕНИЕ
Информация о длине начального термического участка важна для расчета теплообмена к стекающим пленкам жидкости и совершенствования промышленных аппаратов. Исследование влияния внешних возмущений на длину начального термического участка необходимо для управления теплообменными и кризисными процессами в нагреваемой пленке жидкости.
В предшествующих работах изучалось, как правило, естественное формирование структур на поверхности нагреваемой пленки жидкости. Обнаружены разные режимы формирования струй в неизотермических пленках жидкости [1—3]. Установлено существование термокапиллярных структур в остаточном слое жидкости между фронтами крупных волн [4].
В работе [5] проведено экспериментальное исследование влияния искусственных возмущений на формирование структур при течении пленки воды по вертикальной пластине с нагревателем. Число Рейнольдса пленки изменялось от 7 до 40. Для измерения толщины пленки применен флуоресцентный метод. Установлено, что искусственные возмущения на поверхности пленки жидкости могут существенно изменять расстояние между струями, а сценарий эволюции волновой картины течения зависит от их интенсивности. Обнаружена область, в которой искусственные возмущения в неизотермической стекающей пленке жидкости существенно уменьшают расстояние между струями. Определена "наиболее опасная длина волны" искусственных возмущений. Показано, что возможно управление формированием структур на
поверхности нагреваемой пленки жидкости, и определены условия максимального влияния искусственных возмущений.
Исследование теплообмена и длины начального термического участка в стекающей пленке жидкости выполнено в работах [6—8]. В [9] обнаружено влияние термокапиллярных сил на длину начального термического участка. В [10] было показано, что длина начального теплового участка для гладкой ламинарной пленки уменьшается с ростом плотности теплового потока за счет влияния термокапиллярных сил, направленных против основного течения.
С использованием полевых методов измерения толщины и температуры в работе [11] выполнено экспериментальное исследование изменения длины начального термического участка в стекающей пленке воды при числе Рейнольдса, равном 300. 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. Установлено, что в области струй, формирующихся по гребням трехмерных синхронных 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 трехмерными синхронными волнами средняя толщина пленки меньше. Соответственно, уменьшаются
значения локального пленочного числа Рей-нольдса и расстояния до появления температурных неоднородностей. 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.
В работе [12] обнаружено, что искусственные возмущения с "наиболее опасной длиной волны" могут приводить к интенсификации теплообмена при числах Рейнольдса более 200. Механизм этого явления, возможно, связан с изменением длины начального термического участка. Но влияние на этот параметр искусственных возмущений при высоких числах Рейнольдса остается неисследованным.
Задачей данной работы являлось экспериментальное исследование влияния внешних возмущений с "наиболее опасной длиной волны" на протяженность начального термического участка при различных значениях плотностей тепловых потоков для Re = 300 и 500 в условиях течения развитых трехмерных синхронных волн на поверхности пленки воды вдоль нагревателя.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Стенд представлял собой замкнутый циркуляционный контур, включающий резервуар с электронасосом, рабочий участок и фильтр. Дистиллированная вода с помощью насоса подавалась в пленкоформирователь, который включал накопительную камеру, распределительное устройство и сопло с калиброванной плоской щелью. Рабочие участки состояли из несущей плиты из текстолита с расположенными на ней нагревателем, стабилизатором температуры и пленкоформиро-вателем. Использовался нагреватель размером 100 х 150 мм с расстоянием Xn = 263 мм от нижнего края сопла пленкоформирователя до верхней кромки нагревателя. Подробное описание экспериментальной установки и рабочего участка приведено в [5].
Температура обращенной к пленке стенки нагревателя измерялась термопарами, расположенными на вертикальной оси симметрии. Плотность теплового потока q варьировалась в пределах 1.5—13 Вт/см2. Начальная температура воды при выходе из сопла пленкоформирователя T0 составляла 25—30°С. Число Рейнольдса пленки воды, определяемое по формуле Re = Г/ц, равнялось 300 и 500, где Г — массовый расход жидкости на единицу ширины пленки, ц — коэффициент динамической вязкости жидкости.
Для создания возмущений использовалась механическая система расположенных в горизонтальную линию цилиндров одинакового диаметра dw = 3 мм, которая опускалась в пленку жидко-
T * w °C
60 г
1
2 50 -
-X- 3
4 40
20 -
10
-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
X, мм
Рис. 1. Распределение температуры на поверхности вертикальной плиты с нагревателем, по которой стекает пленка (Яе = 500): 1 - q = 1.6 Вт/см2, 2 - 5.7, 3 -9.6, 4 - 13.1. Отметке X = 0 соответствует верхний край нагревателя.
сти выше верхнего края нагревателя на 10-17 мм. В работе [5] определена "наиболее опасная длина волны", при которой искусственные возмущения существенно изменяют расстояние между струями в неизотермической стекающей пленке жидкости. Показано, что для Яе < 40 наиболее опасная длина волны для пленки воды составляет 9.5 мм. В работе [12] обнаружено, что искусственные возмущения с этим же расстоянием между цилиндрами изменяют расстояние между струями при Яе = 110— 250. Инвариантность "наиболее опасной длины волны" искусственных возмущений относительно числа Рейнольдса явилась основанием для исследования влияния возмущений этой же длины волны на изменение длины начального термического участка течения при больших значениях Яе = = 300 и 500.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Наиболее распространенным определением длины начального термического участка Ьь при граничном условии на поверхности нагревателя Тк = соп^ является следующее [6, 8]:
(Т - Те) = 0.01Т - Т)), (1)
когда разность между температурой на поверхности пленки Т и начальной температурой пленки Т0 превышает величину 0.01(Т„, - Т0). Однако в реальных экспериментах строгое условие Тк = = со^ не может быть достигнуто. В зависимости от величин плотности теплового потока и числа Рей-нольдса пленки на нагревателях практически любой конструкции могут реализовываться разные граничные условия [13]. Как можно видеть из рис. 1, для Яе = 300, 500 реализуются условие, близкое к
Ьь, мм
q, Вт/см2
Pис. 2. Зависимость длины начального теплового участка Ьь от плотности теплового потока для невозмущенной пленки (Яе = 300): 1, 2 — расчет для межструйной области и струй по (2); 3, 4 — расчет по (4); 5, 6 — расчет по (3); прямые 7, 8 — аппроксимация результатов для межструйных областей и струй соответственно.
Тк = сопъ! при высоких плотностях тепловых потоков ^ = 6—13 Вт/см2), и условие, близкое к qw = = со^ при малых плотностях тепловых потоков ^ = 1—6 Вт/см2). На всех рисунках X — координата, отсчитываемая от верхнего края нагревателя. При высоких тепловых потоках для Яе = 300, 500 из соотношения (1) при Тк = сош! имеем условие Т — Т0 = 0.25—0.3°С для выхода теплового пограничного слоя на поверхность, которое для эксперимента может быть записано в виде (Т - Т,) = Т - Т))шах = 0.25—0.3°С = 0.01Т,. (2)
Таким образом, условие (1) не может быть корректно распространено в область малых тепловых потоков. К тому же искусственное продление условия (1) в область малых тепловых потоков
(Т — Те) = Т — Т0)шш = 0.05—0.15°С (3) приводит к ряду противоречий. Например, значение Ьь начинает возрастать с увеличением q, что противоречит данным работ [9, 10]. При Т — Т0 = = 0.05—0.15°С ошибка определения Ьь в области струи, где наблюдается плавный рост температуры, может превосходить 100%. В этой области возможно использование условия
(Т — Т0) = 0.0^Н/Х для qw = сопй, (4)
где Н — толщина пленки жидкости, X — коэффициент теплопроводности жидкости, которое дает Т — Т0 = 0.15—0.2°С при q = 2—5 Вт/см2. Сравнение условий (2)—(4) приведено на рис. 2. Видно, что условие (4) снижает максимум на 30% значение Ьь, определяемое по (2) в области струи при минимальных значениях q. Условие (3) приводит к существенному снижению данных для струй.
По сравнению со струями в межструйной области все рассмотренные условия указывают на значительное уменьшение Ьь и слабое его изменение с ростом плотности теплового п
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.