Основные понятия и факторы, влияющие на процесс.
Определим основное понятие, используемое в данной работе, мало масштабные газожидкостные течения. Все известные газожидкостные течения можно разбить на три класса:
- крупномасштабные, когда характерный поперечный основному течению размер более десяти капиллярных постоянных $ •*<
- микромасштабные, когда характерный поперечный основному течению размер менее десятой части капиллярной постоянной
- и маломасштабные 0.1 1а<В<№ 1№
Ограниченность по рассматриваемым числам Рейнольдса приводит к следующим ограничениям для маломасштабных течений В<501уи к<\Ыу. Кроме того, в маломасштабных газожидкостных течениях, существенным будет влияние начальных гидродинамических и тепловых участков. ... у
Наиболее важными характеристиками рассматриваемых процессов являются поверхностные силы, оказывающие определяющее воздействие на поведение межфазной границы в условиях относительно слабых динамических эффектов. Поверхностные силы традиционно делятся на действующие по нормали к поверхности (лапласовское давление) и по касательной (силы определяемые градиентом коэффициента поверхностного натяжения вдоль поверхности). В свою очередь касательные напряжения, определяемые градиентом коэффициента поверхностного натяжения вдоль поверхности, могут возникать в результате действия трех основных факторов: влияния поверхностно-активных веществ, изменения коэффициента поверхностного натяжения в многокомпонентных жидкостях за счет изменения концентрации одного из компонент вблизи поверхности раздела и в результате зависимости коэффициента поверхностного натяжения от температуры. Первые два в данной работе не рассматриваются. Более того, предпринимались действия для устранения их возможного влияния.
Целью работы является исследование гидродинамики и теплообмена в ламинарных минимасштабных естественно циркуляционных пузырьковых и пленочных течениях при влиянии капиллярных и термокапиллярных эффектов, раскрытие механизмов и изучение основных закономерностей рассматриваемых явлений.
Научная новизна работы заключается в том, что автором впервые:
Выполнены систематические исследования гидродинамики всплытия пузырей в погруженных и тупиковых каналах. Изучено влияние стенок канала на форму и скорость всплытия пузырей в широком диапазоне изменения параметров.
В результате специально выполненных экспериментов и ' сопоставления с численными расчетами определены границы режимов всплытия пузырей с разной формой в неограниченном объеме жидкости. Определены границы перехода к области неустойчивого спиралевидного движения пузырей. Детально исследован переход от пузырькового к снарядному движению пузырей в каналах. Данные по деформации и образованию вихревых течений жидкости за пузырем сопоставлены с численными расчетами.
Для обобщения и анализа опытных данных по всплытию пузырей предложено использовать новый тип диаграмм с безразмерными координатами. При моделировании движения пузырей в погруженных каналах учтено влияние начального гидродинамического участка. Получены обобщающие и модельные зависимости для определения скоростей всплытия пузырей в различных условиях.
Выполнены систематические исследования конвективного теплообмена при всплытии пузырей в погруженных прямоугольных каналах разной формы. Тщательно контролировались параметры газожидкостного потока (размеры пузырей и их идентичность, дистанции между пузырями). Интенсивность теплоотдачи измерялась в разных точках по высоте нагревательного элемента в канале, что позволило получить информацию о влиянии вплывающих пузырей на теплообмен в широком диапазоне изменения режимных параметров.
Для описания интенсификации теплообмена в погруженных каналах предложена теоретическая модель; учитывающая как нестационарный характер процесса (влияние частоты следования пузырей, времен движения пузыря в канале и вблизи поверхности нагрева), так и влияние усредненных стационарных характеристик (наведенной циркуляции жидкости в канале и теплообмена на начальном участке канала).
Исследовано формирование регулярных струй при течении пленки жидкости с двухмерными и трехмерными волнами. Выделены области внезапного возникновения устойчивых регулярных структур на поверхности гладкой пленки жидкости и формирования струй при распаде двумерных волн на трехмерные или по гребням трехмерных волн.
Исследованы различные режимы влияния плотности теплового потока и числа Рейнольдса пленки на расстояние между струями. В результате анализа экспериментального материала показано, что имеет место * два механизма формирования струй - термокапиллярный и термокапиллярно-волновой.
Показано, что при термокапиллярно-волновом механизме струи формируются на неоднородностях в толщине пленки. С увеличением плотности теплового потока пленка жидкости в межструйной области становится более гладкой, амплитуда волн и пульсаций температуры уменьшается. Трехмерные волны распространяются по гребням струй. С ростом теплового потока толщина пленки и амплитуда волн увеличиваются. Определяющим является изменение толщины пленки под действием термокапиллярных сил при формировании струй. Амплитуда волны подстраивается под это изменение в соответствии с увеличением толщины пленки (фокального числа Рейнольдса).
Показано, что искусственные механические и температурные возмущения нагреваемой пленки жидкости, варьирование длины пробега пленки и интенсивности испарения позволяют изменить длину волны неустойчивости только в узком диапазоне, соответствующем области, в которой проявляются закономерности термокапиллярного и термокапиллярно-волнового механизмов формирования струй. Установлено, что границы этой области консервативны в отношении внешних факторов, а безразмерная длина волны неустойчивости определяется числом Рейнольдса пленки и модифицированным числом Марангони.
Обнаружено влияние длины нагревателя на величину плотности теплового потока, при которой происходит формирование структур. Выполнено обобщение опытных данных по формированию структур и разрыву пленки с учетом влияния испарения.
Экспериментально показано, что термокапиллярные силы приводят к снижению интенсивности среднего стабилизированного конвективного теплообмена при течении двумерной пленки жидкости и формировании струй.
Выполнено исследование локального теплообмена. Измерено распределение температур на поверхности трехмерной волновой пленки жидкости при формировании струй. Обнаружено увеличение локального коэффициента теплоотдачи в области тонкой пленки жидкости между струями.
В условиях значительной интенсивности испарения обнаружена интенсификация среднего теплообмена при формировании структур. Показано, что существенное увеличение теплообмена при формировании струй на поверхности пленки жидкости до и после разрыва определяется влиянием испарения.
Обнаружено, что под действием термокапиллярных сил происходит распад крупных солитонообразных волн на струи. Рост волновой динамики за счет увеличение длины пробега пленки и интенсивности испарения приводит к смыванию сухих пятен и интенсификации теплообмена. Показано, что термокапиллярно-волновое движение пленки жидкости увеличивает теплоотдачу на 25-70 % при 20
Совокупность полученных результатов и сделанные на их основе обобщения и выводы, являются вкладом в развитие нового научного направления капиллярной термо-гидродинамики.
Достоверность полученных данных подтверждена оценкой величины ошибок измерений, постановками специальных тестовых экспериментов, систематическим (комплексным) исследованием проблемы, сравнением с экспериментальными и теоретическими результатами других авторов. Используемые экспериментальные методики обеспечивали взаимодополнение и независимый контроль. В частности измерение толщины пленки осуществлялось двумя независимыми методами — волоконно-оптическим и емкостным.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты и разработанные на их основе физические модели, а также обобщающие расчетные соотношения позволяют осуществлять научно обоснованный выбор оптимальных параметров технологических процессов, а также могут быть использованы при создании новых методов расчета двухфазных течений. Отдельные результаты работы вошли в монографии и использовались при чтении общеобразовательных курсов в ВУЗах. Работа выполнялась в соответствии с планом фундаментальных исследований Института теплофизики СО РАН. Отдельные ее
части проводились для выполнения хозяйственных договоров с Российскими и зарубежными фирмами, а также Российских и международных грантов.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 59 печатных работ. Результаты работы докладывались автором на I Всесоюзной конференции "Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации" (Рига 1982), Всесоюзной конференции "Теплообмен в парогенераторах" (Новосибирск 1988), Int. Sem. Phase-Interphase Phenomena in Multiphase Flow (Dubrovnik 1990), VIII Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах" (Ленинград 1990), международном семинаре "Испарительные системы охлаждения электронного оборудования" (Новосибирск 1991), II международном семинаре "Охлаждение электронного оборудования" (Новосибирск 1993), NATO Advanced Study Institute on Energy Conservation Through Heat Transfer Enhancement of Heat Exchangers (Turkey 1998), XXVI Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск 2002), Всероссийской конференции "Теория и приложения задач со свободными границами" (Бийск 2002), Третьей российской национальной конференции по теплообмену (Москва 2002), на научных семинарах под руководством академика Накорякова В.Е. (ИТ), академика Шемякина Е.И. (МГУ), член-корр. Алексеенко СВ. (ИТ), член-корр. Пухначева В.В. (ИГ).