ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 3, с. 477-480
УДК 532.62;536.4
ВОЗДЕЙСТВИЕ НА КОНТАКТНУЮ ЛИНИЮ ПОСРЕДСТВОМ ИСКУССТВЕННЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ
ПЛЕНКЕ ЖИДКОСТИ
© 2014 г. Е. А. Чиннов, Е. Н. Шатский
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск E-mail: shatskiy.itp@gmail.com Поступило в редакцию 04.02.2013 г.
С использованием скоростной инфракрасной камеры выполнено экспериментальное исследование воздействия периодических искусственных возмущений на нагреваемую пленку жидкости при малых числах Рейнольдса. Показано, что развитие термокапиллярных возмущений приводит к перемещению струй и воздействует на контактную линию, ограничивающую сухое пятно в вертикально стекающей нагреваемой пленке. Установлено, что искусственные возмущения при достаточно высоких тепловых потоках оказывают существенное влияние на изменение структуры течения и повторное орошение сухих зон.
DOI: 10.7868/S0040364414030077
ВВЕДЕНИЕ
При интенсивном теплообмене в пленках жидкости происходит образование сухих пятен, развитие которых может приводить к существенному ухудшению теплоотдачи [1]. Управление развитием струйных течений на поверхности пленки жидкости позволяет осуществлять деформацию пленки и контактной линии, орошение осушенных зон на поверхности нагрева и, в конечном счете, способствует повышению интенсивности теплообмена.
Теория пленочных течений жидкости в настоящее время быстро развивается. Имеется большое число работ, в которых при различных предположениях выведены уравнения движения. Эта множественность подходов объясняется многоплановостью рассматриваемого явления, его зависимостью от большого числа факторов. Преобладание тех или других из них приводит к качественным отличиям в характере движения, что, естественно, требует различных подходов при описании.
К настоящему времени открыты различные механизмы формирования струй в нагреваемых пленках жидкости, выделено два режима: термокапиллярный А [2] и термокапиллярно-волновой Б [3]. Структуры двух типов А и Б различаются уровнем плотности теплового потока, необходимого для их возникновения, величиной и характером зависимости расстояния между струями от плотности теплового потока и числа Рейнольдса.
Одной из первых теоретических работ по влиянию термокапиллярных сил на формирование и развитие неустойчивости на поверхности пленки
является [4]. В ней показано существование неустойчивости Марангони при гравитационном стекании пленки воды по нагреваемой поверхности в условиях постоянного теплового потока со стороны подложки. Следует выделить работы [5—7]. В [7] теоретически подтверждено существование экспериментально открытых структур двух типов на поверхности неизотермической пленки жидкости. Показано, что в термокапиллярном режиме волновое течение пленки затухает, а в термокапиллярно-волновом волны распространяются вдоль струй.
Экспериментальные данные по влиянию нестационарных искусственных возмущений на формирование струй на поверхности стекающей неизотермической пленки воды приведены в [8]. Для измерения толщины пленки применен флуоресцентный метод. Показано, что периодические возмущения позволяют изменять расстояние между струями во времени. Обнаружен рост амплитуды волн на фронте распространяющегося возмущения. Основные исследования выполнены для волновой пленки жидкости в диапазоне чисел Рейнольдса от 20 до 40.
В работе [9] с использованием скоростной инфракрасной камеры выполнено экспериментальное исследование взаимодействия гидродинамических волновых и термокапиллярных возмущений в вертикально стекающей нагреваемой пленке воды при Яе = 10. Установлено, что искусственные возмущения при достаточно высоких тепловых потоках оказывают существенное влияние на формирование структур и волновое течение пленки жидкости. Показано, что в зависимости от пара-
10
477
X, мм 40
60
80 Н
100
120 -
140 -
т, °с
75 70 65 60 55 50 45 40
Поток
100 120 2, мм
Осушенные области на нагревателе
Рис. 1. Термограмма поверхности пленки 68%-ного раствора глицерина в невозмущенном состоянии при Яе = 2.2, д = 1.8 Вт/см2.
метров, набегающих на нагреватель волн, возможны разные сценарии их преобразования в струи.
В данной работе на основе данных, полученных с использованием тепловизионного метода, выполнено исследование влияния искусственных возмущений на динамику поверхности неизотермической и практически безволновой пленки жидкости при Яе = 2.2. Изучено нестационарное изменение температурных характеристик пленки и воздействие искусственного возмущения с "наиболее опасной" длиной волны на контактную линию и сухие пятна.
УСТАНОВКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ
Стенд представлял собой замкнутый циркуляционный контур, включающий резервуар с электронасосом, рабочий участок и фильтр. Рабочий участок состоял из несущей плиты из текстолита с расположенными на ней нагревателем размером 150 х 150 мм2, стабилизаторами температуры, удлиняющей пластиной и пленкоформировате-лем. Подробное описание экспериментальной установки приведено в [8]. Жидкость с помощью насоса подавалась в пленкоформирователь, который включал в себя накопительную камеру, распределительное устройство и сопло с калиброванной плоской щелью. Расстояние от нижнего края сопла пленкоформирователя до верхнего края нагревателя Хп составляло 543 мм. Число Рейнольдса пленки воды равнялось 2.2 (Яе =
= Г/pv, где Г — удельный массовый расход жидкости, р — плотность жидкости, v — коэффициент кинематической вязкости жидкости), начальная температура — 23°C. Использовался 68%-ный раствор глицерина в дистиллированной воде, вязкость которого составляет 15.33 мПа с. В экспериментах использовался инфракрасный сканер Titanium HD 570M, позволяющий измерять поле температур на поверхности пленки с разрешением до 640 х х 512 пикселей, частотой полных кадров до 115 Гц и чувствительностью 18 мК. Спектральный диапазон регистрируемых длин волн теплового излучения составлял 3.7—4.8 мкм. Для создания возмущений использовалась механическая системы расположенных в горизонтальную линию цилиндров, которая опускалась в пленку жидкости выше верхнего края нагревателя на 18 мм [8]. В используемом диапазоне регистрируемых длин волн теплового излучения поверхность пленки была близка к черному телу. Поверхность нагревателя выбиралась таким образом, чтобы ее степень черноты была значительно меньше. В результате наблюдалось резкое уменьшение интенсивности инфракрасного излучения с поверхности осушенного пятна, что обеспечивало четкую регистрацию контактной линии.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 приведена термограмма поверхности вертикально стекающей пленки жидкости (q = = 1.8 Вт/см2) при градации серого цвета. Показано невозмущенное течение пленки жидкости при плотности теплового потока, достаточной для образования сухих пятен.
Течение происходило сверху вниз. Светлой линией с рисками отмечена область по ширине нагревателя, занимаемая пятью термокапиллярными струями со средним расстоянием между ними 13 мм. Между струями видны осушенные области (заштрихованные зоны). Из-за отличия коэффициентов черноты пленки и нагревателя значения температуры на нагревателе не соответствуют реальным значениям. Восстановление точного значения температуры нагревателя в рамках данной работы не проводилось. Воздействие внешних возмущений с "наиболее опасной" длиной волны, соответствующей расстоянию между цилиндрами lw = 10 мм и диаметрами цилиндров dw = 2 мм (см. [8]), приводило к полной перестройке структуры течения. Возмущения длительностью 0.8 с вводились в пленку с периодом 2 с. На всем протяжении нагревателя расстояние между струями изменялось до значения 10 мм. При периодическом воздействии искусственных возмущений сухие пятна исчезали за период времени 5.5 с.
На рис. 2а показано распределение температуры на поверхности пленки жидкости в окрестности невозмущенного сухого пятна (граница пятна
ВОЗДЕЙСТВИЕ НА КОНТАКТНУЮ ЛИНИЮ
479
Рис. 2. Распределение температуры поверхности пленки в нижней части нагревателя при возмущении пленки (выделенные области на рис. 1): (а) — через 1.14 с после внесения возмущающих цилиндров в пленку жидкости, натекание струи на сухое пятно; (б) — температура пленки после удаления сухого пятна через 5.5 с после начала возмущения.
отмечена темной линией). Построенная область соответствует области, занимаемой темным прямоугольником на рис. 1. Координата X отсчиты-валась от верхней кромки нагревателя, Z от левого края нагревателя. Профили температуры на линии движения струи возмущения (штриховая линия на рис. 2), построенные до точки контакта пленки и сухого пятна, показаны на рис. 3 для различных моментов времени.
Через 1.14 с после начала возмущения происходила перестройка течения на большей части нагревателя и перемещенная струя доходила до верхней границы сухого пятна (рис. 2а, рис. 3 линия 2). В последующие 20 мс область перегретой жидкости сужалась, а температура в зоне контакта струи и сухого пятна оставалась на уровне 72°С. Далее происходило перемещение контактной линии с одновременным уменьшением температуры перегретой жидкости (рис. 3 линии 2—4). Скорость перемещения контактной линии составляла 72 мм/с. Через 30 мс температура жидкости на линии контакта достигала минимального значения 62°С, а область перегретой жидкости исчезала. Видно, что область контакта струи жидкости с сухим пятном расположена не по центру пятна (рис. 2а). В результате через 0.25 с после начала движения контактной линии струя начинала обходить ее и, как следствие, снова возникала область перегретой жидкости (линия 5 на рис. 3). Возмущение достигало нижнего края нагревателя за время 1.4 с.
Температура жидкости в окрестности осушенной зоны возрастала. Далее струя возвращалась к прямолинейному вертикальному движению, перемещая сухое пятно вправо.
Сухое пятно не орошалось целиком за полный период до начала нового возмущения, который
Т, °С 75
70 65 60
55
50
85
95
105 115 125
135 145 X, мм
Рис. 3. Профили температуры на линии движения струи возмущения (рис. 2), построенные до точки контакта пленки и сухого пятна. Лин
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.