ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 464, № 3, с. 293-296
= МЕХАНИКА =
УДК 536.4
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ТВЕРДОГО ВКЛЮЧЕНИЯ В НЕОДНОРОДНОЙ КАПЛЕ ЖИДКОСТИ НА УСЛОВИЯ ЕЕ "ВЗРЫВНОГО" РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ИНТЕНСИВНОМ ТЕПЛООБМЕНЕ
© 2015 г. Академик РАН В. Е. Накоряков, Г. В. Кузнецов, П. А. Стрижак
Поступило 06.04.2015 г.
По результатам экспериментальных исследований с использованием средств высокоскоростной (не менее 105 кадров в секунду) видеорегистрации выделены условия кипения на границе раздела в капле воды (начальный условный диаметр 3—4 мм) в твердым непрозрачным включением (характерные размеры до 2 мм) в высокотемпературной (более 600 К) газовой среде. Зарегистрирваны основные стадии процесса — прогрев жидкости, испарение со свободной поверхности капли, пузырьковое кипение на внутренних границах раздела сред, рост пузырьков, их движение через пленку жидкости, "взрывной" распад капли на группу мелких. Установлены характерные времена этих стадий и влияние на них формы включения на примере графитовых частиц (сфера, диск, конус, параллелепипед, многогранник неправильной формы).
Б01: 10.7868/80869565215270109
ВВЕДЕНИЕ
За последние годы при активном использовании высокоскоростных средств фото- и видеорегистрации, а также передовых (в частности, оптических — Р1У, РТУ, 1Р1, 8Р, РЫБ) методов установлены (см., например, [1—5]) важные особенности процессов тепломассопереноса, гидродинамики, фазовых превращений и химического реагирования для группы газожидкостных систем (пленки, капли, аэрозоли, разнородные объекты, течения в микроканалах, двухфазные и гетерогенные потоки). В частности, применение методов Р1У, 1Р1 и 8Р позволило выделить [6—8] закономерности испарения с поверхности неоднородных (с твердыми включениями — углеродистые и алюминиевые частицы) капель жидкостей в условиях интенсивного теплообмена с внешней газовой средой (при температурах последней более 1000 К). Установлено [6—8] влияние размеров и концентрации таких включений на интенсивность испарения с поверхности гетерогенных капель воды. Анализ современных моделей гидродинамики и тепломассопереноса в газокапельных системах [9] показывает, что фазовые превращения при движении неоднородных капель жидкости в
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск
Национальный исследовательский Томский политехнический университет E-mail: pavelspa@tpu.ru
условиях высоких температур практически не исследованы. В такой системе, как неоднородная капля, форма включений, скорее всего, может существенно влиять на условия прогрева последней и парообразование (особенно при высоких температурах газов [6—8]). Целесообразным представляется экспериментальное исследование этого эффекта на примере капли воды с единичным включением.
Цель настоящей работы — экспериментальное изучение влияния формы твердого включения в неоднородной капле жидкости на условия парообразования при интенсивном нагреве.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Использовался стенд [6—8] с двумя высокоскоростными (не менее 105 кадров в секунду) видеокамерами для получения 3D-изображения испаряющейся неоднородной капли. В отличие от экспериментов [6—8] в проведенных опытах для генерации высокотемпературных газов использовался технический спирт. Поток продуктов сгорания поднимался по вертикальному каналу цилиндра из кварцевого стекла (высота 1 м, внутренний и внешний диаметры 0.2 и 0.206 м). Температура газов в канале варьировалась в диапазоне от 600 до 800 К за счет изменения параметров газогенератора [6—8]. Скорости движения газов, обтекающих каплю, составили около 1.5 м/с.
294
НАКОРЯКОВ и др.
€> в
Рис. 1. Типичные видеокадры движущихся неоднородных капель при разных формах включения: 1 — сфера, 2 — цилиндрический диск, 3 — параллелепипед, 4 — конус, 5 — многогранник неправильной формы.
Рис. 2. Характерные стадии прогрева капли до условий "взрывного" парообразования (включение в форме многогранника с характерным средним размером около 2 мм, капля воды с условным диаметром 3 мм): 1 — прогрев капли и испарение с ее внешней поверхности, 2 — пузырьковое кипение на внутренних границах разделах сред и испарение с внешней поверхности капли, 3 — рост, отрыв и движение пузырьков через пленку жидкости, 4 — "взрывное" разрушение капли с образованием группы мелких.
В экспериментах использовались частицы графита в форме сферы, диска, параллелепипеда, неправильного многогранника с близкими характерными размерами (около 2 мм). Жидкость (дистиллированная вода) после предварительного взвешивания (масса одной капли изменялась от 5 до 20 мг) наконечником дозатора опускалась на включение, закрепленное на стержне (держателе). После завершения процесса обволакивания включения неоднородная капля (начальный условный диаметр изменялся в диапазоне 3—4 мм) вводилась в канал с высокотемпературными газами. В экспериментах выполнялась высокоскоростная видеорегистрация испарения со свободной поверхности капли и кипения на внутренних границах раздела сред. Установлено, что возможны режимы как только испарения жидкости со свободной поверхности, так и парообразования со "взрывным" распадом капли при кипении на внутренних границах раздела сред и испарением с ее свободной поверхности. В проведенных экспериментах контролировалось время (тА) от начала нагрева капли до полного испарения воды (толщина пленки не превышала величины, сопоставимой с погрешностью средств измерения) или "взрывного" распада капли на несколько с существенно меньшими размерами.
Погрешности средств измерений и подробное описание экспериментального стенда приведено в [6—8]. В отличие от опытов [6—8] для анализа
быстропротекающих стадий исследуемых процессов применялось программное обеспечение "Tema Automotive", позволяющее с высокой степенью детализации анализировать положение границ раздела сред.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 приведены типичные изображения капель воды с крупными (до 70% по объему капли) твердыми включениями при свободном падении в канале с высокотемпературными газами.
Выполненные эксперименты показали, что чаще всего включение смещается относительно центра масс (или условной оси симметрии) к поверхности падающей капли (рис. 1). При этом типичным является частичное выступление включения за поверхность капли (рис. 1). Учитывая эти особенности, в проведенных опытах для анализа условий испарения неоднородных капель выбран вариант частичного выступления включения над поверхностью капли.
На рис. 2 представлены типичные изображения неоднородной капли воды с установленными характерными стадиями ее нагрева, испарения, кипения и распада в высокотемпературной (около 700 К) газовой среде.
Проведенные эксперименты позволили выделить механизм фазовых превращений на поверх-
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ТВЕРДОГО ВКЛЮЧЕНИЯ
295
Таблица 1. Зависимость времени "взрывного" разрушения неоднородной капли (размер около 3 мм) воды от температуры внешней газовой среды (±15 К) для выделенных типичных форм включения
Форма включения Ч, с
650 К 700 К 750 К 800 К
Сфера диаметром 2 мм 6.2 4.3 2.8 2.6
Диск высотой и диаметром около 2 мм 5.8 3.7 2.6 2.4
Параллелепипед высотой 2 мм, шириной и глубиной 1 мм 5.6 3.9 2.5 2.2
Конус высотой 2 мм и диаметром основания 2 мм 5.3 3.4 2.5 2.2
Многогранник с характерным средним размером около 2 мм 4.2 2.9 2.1 1.9
ности и внутри неоднородной капли воды в высокотемпературной газовой среде. На начальном этапе происходит инерционный (в связи с высокой теплотой фазового перехода — для воды около 2 МДж/кг) прогрев капли (как правило, не менее 0.6тА). Учитывая, что для многих технологических водяных эмульсий и суспензий теплота фазового перехода близка к значению воды, инерционность первой стадии можно считать типичной. Практически во всех экспериментах через 0.1—0.2 с (с момента начала нагрева) вблизи границ раздела сред "твёрдое включение — жидкость" начиналось формирование пузырьков (рис. 2). Парообразование на этой границе можно объяснить поглощением энергии прозрачной жидкостью и аккумулированием ее большей части у поверхности непрозрачного твердого включения. В условиях высоких температур внешней газовой среды лучистый тепловой поток играет важную роль. Как следствие, за довольно короткий интервал времени пленка жидкости вокруг включения прогревается и интенсифицируется парообразование (соответствует пузырьковому кипению) на внутренних границах раздела сред (рис. 2). После аккумуляции достаточного для отрыва пузырьков количества энергии у границ раздела сред пузырьки начинают всплывать. Отрыв от поверхности включения пузырьков приводит во многих случаях к их слиянию. Как следствие, в таких условиях формируются более крупные пузырьки и размеры капли существенно возрастают (рис. 2). Рост пузырей внутри капли приводит к уменьшению толщины пленки жидкости. Это, в свою очередь, интенсифицирует прогрев капли и соответствующие фазовые превращения. Увеличение размеров пузырьков и формирование новых приводит к "разбуханию" капли — она практически полностью заполняется паром (рис. 2). Если давление паров выше давления поверхностного натяжения и внешней среды, происходит "взрыв" (распад) капли (рис. 2) с формированием существенно меньших по размерам. В табл. 1 приведены характерные времена "взрывного" разрушения неоднородной капли при различных формах включения (представлены результаты усреднения
данных не менее 5—7 серий экспериментов при идентичных начальных условиях).
Анализ результатов выполненных экспериментов показал, что условия "взрыва" капли изменяются при увеличении числа граней включения, контактирующих и с жидкостью, и с внешней газовой средой. Для многогранников неправильной формы характерные времена "взрывного" разрушения гетерогенных капель минимальны по сравнению с другими формами (табл. 1). Следует отметить, что в отдельных экспериментах для включений в форме конуса или параллелепипеда были зарегистрированы времена меньше, чем для многогранника. Эти эксперименты характеризовались значительным выступлением включения за поверхность капли. Как следствие, можно сдел
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.