Личное участие автора. Данная работа выполнена в лабораториях «Теплообмена при фазовых переходах» (1978-1987, заведующий академик С.С. Кутателадзе) и «Интенсификации процессов теплообмена» (1988-н/в, заведующий д.ф.-м.н. О.А. Кабов.) Института теплофизики СО РАН. В диссертацию включены экспериментальные результаты, полученные автором на стендах, в проектировании которых он принимал непосредственное участие, либо индивидуально, либо под его руководством с помощью студентов, аспирантов и сотрудников лаборатории интенсификации процессов теплообмена. Используемые в диссертации физические модели, обобщения, эмпирические формулы и аналитические решения, получены автором. Численные расчеты, используемые в работе, получены с применением стандартных пакетов или выполнены д.ф.-м.н. Волковым П.К. и к.ф.-м.н. Марчуком И.В. и содержатся в совместных публикациях.
1. Обзор литературы
Гидродинамике и теплообмену двухфазных течений посвящено огромное количество как теоретических, так и экспериментальных работ. Даже краткое их упоминание требует слишком большого объема.
Как отмечено во введении, будут рассматриваться газожидкостные течения с характерным поперечным масштабом соизмеримым с капиллярной постоянной, как правило, в не Слишком протяженных каналах при ламинарном течении. В обзоре основное внимание будет направлено на рассмотрение безнапорных, естественно циркуляционных, режимов течения, когда скорости газа и жидкости невелики.
Подавляющее большинство публикаций по исследованию двухфазных течений основано на получении осредненных данных о процессе, их анализе и дальнейшем теоретическом описании. Как правило, в таких исследованиях рассматриваются стационарные процессы для весьма протяженных каналов и нагреваемых или охлаждаемых поверхностей. К этому классу работ относятся в первую очередь ранние экспериментальные исследования двухфазных потоков. Для теоретического описания газожидкостных потоков использовались модели гомогенных (Lockhart, Martinelli.r 1949) и раздельных течений (Уоллис, 1972), взаимопроникающих континуумов' (Нигматулин, 1987). В настоящее время такой подход применяется для расчета двухфазных теплообменников и промышленных аппаратов (Webb, 1994). Анализ теплообмена в двухфазных системах во многих современных работах также, базируется на осредненных характеристиках процесса. Эти публикации в обзоре рассматриваться не будут.
Другие исследования направлены на рассмотрение таких эффектов двухфазных течений, где существенно влияние дискретных параметров процесса: размеров^ пузырей, нагревательных элементов, размеров каналов, характеристик пленочных течений, размеров структур, возникающих при термокапиллярной конвекции и так далее. Такой подход направлен на исследование детальных физических механизмов процесса и традиционно развивается в Институте теплофизики в работах Алексеенко, Волкова, Гогонина, Кабова, Кашинского, Накорякова, Павленко и др. Из российских и зарубежных публикаций можно отметить работы Ганчева, Durst, Hewitt, Monde, Mudawwar и др.
В обзоре будут рассмотрены газо-жидкостные течения, вызванные влиянием гравитации, с ограниченным количеством газовых включений. Будет проанализировано всплытие одиночных пузырей и их цепочек в покоящейся жидкости. Рассмотрены эффекты, связанные с наведенной циркуляцией жидкости, течением в барботажных колоннах и погруженных каналах. Течения с вынужденным движением фаз примыкают к движению в погруженных каналах и будут обсуждены отдельно. Подробно будет рассмотрена гидродинамика и теплообмен при течении пленки жидкости и влияние всплытия пузырей на теплообмен, а также кипение и кризис теплообмена в пленках жидкости и на локальных нагревателях. Будет обсуждено развитие экспериментальных методов исследования двухфазных потоков и в частности пленочных и пузырьковых течений.
1.1. Гидродинамика мало масштабных газожидкостных течений при естественной циркуляции.
1.1.1. Всплытие пузырей в покоящейся жидкости.
Движение одиночных пузырей в неограниченном объеме жидкости.
Всплытие одиночных газовых пузырей является классической задачей гидродинамики двухфазных сред, поэтому на протяжении многих лет привлекает внимание, как теоретиков, так и экспериментаторов. Процессы, связанные с движением газовых пузырей в жидкости, имеют широкое распространение и используются во многих промышленных технологиях. Целый ряд технологических циклов (особенно химических) используют барботаж для турбулизации жидкости газовыми пузырями. В случае малых газосодержаний, когда влияние пузырей друг на друга еще мало, можно рассматривать поведение отдельных газовых включений изолированно, не учитывая их взаимное воздействие.
Первые результаты по данной проблеме опубликованы еще в начале прошлого столетия и начинаются с работы (Allen, 1900), посвященной всплытию сферических пузырей, теоретических работ (Rybczynski, 1911) и (Hadamard, 1911) и дискуссии развернувшейся по поводу возможности применения закона Стокса для вычисления массы капельки в опытах по определению заряда электрона (Лебедев, 1916). Следующий этап исследований связан с поиском механизма, обеспечивающего выполнения закона Стокса при всплытии сферических пузырей малого размера (Bond, Newton, 1927). Согласно работе (Scriven, Sterling, 1960) еще в 19 веке итальянским ученым Марангони было открыто два эффекта связанных с проявлением поверхностных сил. Первый из них основан на предположении, что подвижную поверхность раздела фаз нельзя охарактеризовать лишь коэффициентом поверхностного натяжения а, так как он получен из рассмотрения статической межфазной поверхности. Для описания динамического поверхностного слоя необходимо вводить новые физические величины присущие только движущейся поверхности. Второй эффект заключается в возникновении изменения коэффициента ' поверхностного натяжения вдоль границы раздела фаз, за счет неравномерного распределения на ней поверхностно-активных веществ (ПАВ) пли температуры. Теоретическое рассмотрение первого эффекта было проведено Бусинеском (см. Scriven, 1960), который, полагая, что для описания динамической межфазной поверхности следует вводить поверхностную вязкость, обнаружил существование сил касательных к поверхности раздела фаз и приводящих к ее торможению. Как отмечено в монографии (Адамсон, 1979) поверхностную вязкость эффективно использовать при течении пленок жидкости * на поверхности другой жидкости. Однако, для чистых жидкостей существование поверхностной вязкости не обнаружено.
В работе (Фрумкин, Левич, 1947) торможение поверхности раздела фаз объясняется только влиянием ПАВ. Известны прямые эксперименты, указывающие на значительное влияние ПАВ на движение пузырей. В (Городецкая, 1949) было обнаружено, что добавление в дважды дистиллированную воду поверхностно-активных веществ приводит к значительному уменьшению скорости всплытия небольших (7??<0.5 мм) пузырей. В (Фрумкин, Левич, 1947) рассматриваются различные механизмы влияния поверхностно-активных веществ на сферический «i
пузырь, всплывающий в вязкой жидкости. Дальнейшее исследование влияния поверхностно-активных веществ содержится в (Левич, 1952), многие другие работы проанализированы в обзорах (Воинов, Петров, 1976), (Рулев, 1980) и книге (Филиппов и др., 1988).
Позднее по исследованию процесса всплытия одиночных газовых пузырей в неограниченном объеме жидкости было опубликовано большое количество как экспериментальных, так и теоретических работ. В статьях (Rrevelen, van Hoftijzer, 1950), (Козлов, Мологин, 1951), (Peebls, Garber, 1953), (Ладыженский, 1954), (Haberman, Morton, 1954) и (Kojima et al., 1968) приводятся опытные данные, показывающие зависимость скорости пузыря от его размера в различных жидкостях, описывается форма пузырей и характер их движения. Зависимость скорости всплытия пузырей от их размера для различных жидкостей показана на рис 1.1.1.1. В таблице 1.1.1.1 приведено описание форм всплывающих в воде пузырей.
В (Маленков, 1968 и 1980), (Wallis, 1974), (Churchill, 1989) предложены обобщающие эмпирические формулы. В частности для описания всплытия пузырей в области преобладающего влияния капиллярных сил в работах (Маленков, 1968), (Накоряков, Горин, 1994) рекомендуется использовать формулу