Содержание
Введение 9
1. Обзор литературы 15
1.1 Гидродинамика мало масштабных газожидкостных течений при естественной циркуляции 16
1.1.1 Всплытие пузырей в покоящейся жидкости 16
1.1.2 Двухфазный поток в каналах 25
1.1.3 Течение пленки жидкости 3 3
1.2 Теплообмен при локальном тепловыделении 45
1.2.1 Влияние всплытия пузырей на теплообмен 45
1.2.2 Теплообмен в стекающей пленке жидкости 50
1.2.3 Кипение и кризис теплообмена в пленках жидкости и на локальных нагревателях 61
1.3 Экспериментальные методы РОССИЙСКАЯ 67
1.4 Постановка задач исследования Г*ОСУДАРСТВЕННА>| 7 j
БИБЛИОТЕКА
2. Методика и техника эксперимента t г~ r~ s\ f\ a r 73
2.1 Описание экспериментальных установок Г\ 7 j J (J / ~~ L/ 0 ^ 2.1.1. Гидродинамика всплывающих пузырей т| 73
2.1.2 Оптический криостат П 77
2.1.3 Конвективный теплообмен при движении пузырей 79
2.1.4 Кипение и кризис на локальном нагревателе :" 80
2.1.5 Неизотермическое течение пленки жидкости 82 . 1.6 Гидродинамика и теплообмен в пленке жидкости на малых нагревателях 85
2.1.7 Рабочие участки с нагревателями среднего размера • 91
2.2 Методики и особенности исследований 99
2.2.1 Выбор рабочих жидкостей 99
2.2.2 Определение граничных условий, расчет поля температур в нагревателях 102
2.2.3 Контролирование равномерности пленок жидкости и расходов газовой фазы 113
2.2.4 Тарировочные эксперименты по теплообмену 115
2.2.5 Визуализация течения жидкости и поля температур 120
2.2.6 Определение и измерение среднемассовой температуры пленки жидкости 122
2.2.7 Контроль испарения на поверхности стекающей пленки жидкости • 126
2.2.8 Волоконно-оптический метод измерения толщины пленки
жидкости и регистрации двухфазной границы 129
2.2.9 Емкостный метод измерения толщины неизотермической пленки жидкости 133
2.3 Результаты главы 139
3. Гидродинамика всплытия пузырей 140
3.1 Влияние геометрии и положения каналов на движение пузырей 141
3.1.1 Всплытие пузырей в погруженных и выступающих каналах 141
3.1.2 Всплытие одиночных пузырей в неограниченном объеме жидкости и
тупиковых цилиндрических каналах 144 3.1.3 Всплытие пузырей в циркуляционных системах. Сравнение и анализ
скоростей движения 153
3.2 Моделирование и анализ всплытия одиночных пузырей в неограниченном объеме жидкости и тупиковых цилиндрических каналах 157
3.2.1 Постановка задачи и анализ размерности 157
3.2.2 Неограниченный объем 159
3.2.3 Влияние стенок канала 165
3.3 Моделирование течения в погруженных каналах при движении пузырей 170
3.4 Результаты главы 177
4. Интенсификация теплообмена в двухфазных системах с естественной циркуляцией 179
4.1 Конвективный теплообмен при движении пузырей в прямоугольных погруженных каналах. 179
4.2 Модель конвективного теплообмена при движении пузырей в прямоугольных погруженных каналах ¦ 185
4.3 Исследование теплообмена и кризиса при кипении диэлектрических жидкостей на нагревателях малых размеров в вертикальных каналах 196
4.4 Результаты главы ^ 201
5. Формирование струйных течений при движении пленки жидкости по неизотермическим поверхностям 202
5.1. Режимы течения пленок жидкости 202
5.1.1 Течение пленок по нагревателям средних размеров '. 202
5.1.2 Изменение волнового .течения на поверхности пленки 219
5.1.3 Течение пленок по нагревателям малых размеров 224
5.2. Формирование струй ^ 227
5.2.1 Трехмерные неоднородности на поверхности пленки жидкости 227
5.2.2 Длина волны возмущений и расстояние между струями 227
5.2.3 Градиенты температуры и термокапиллярные касательные напряжения на поверхности пленки воды 235
5.2.4 Измерение толщины пленки жидкости и волновых характеристик при формировании струй 238
5.2.5 Влияние, внешних возмущений, испарения и угла наклона - 244
5.3 Анализ, сравнение и обобщение опытных данных 251
5.3.1. Механизмы влияния термокапиллярных сил на гидродинамику стекающей пленки жидкости 251
5.3.2. Обобщение опытных данных 257
5.4 Результаты главы . . 266
6. Теплообмен в стекающей пленке жидкости 268
6.1 Режимы теплообмена 268
6.1.1 Течение пленок FC-72 и воды по нагревателю 150x150 мм 268
6.1.2 Течение пленок воды и FC-72 по нагревателю 60x120 мм 271
6.1.3 Режимы теплообмена при течении пленок МД-ЗФ по
нагревателю 6.5x1 Змм , 275
6.1.4 Режимы теплообмена при течении пленок МД-ЗФ по нагревателю
размером 2.22x68 мм 278
6.1.5 Характеристики и особенности основных режимов теплообмена 279
6.2 Основные параметры и критерии, характеризующие теплообмен в
пленке жидкости 281
6.2.1 Сравнение с известными зависимостями 281
6.2.2 Основные факторы, влияющие на теплообмен в пленке 285 6.2.2 Безразмерные критерии. Область их влияния 288
6.3 Теплообмен в гладкой пленке жидкости 291
6.3.1 Теплообмен в пленке жидкости, стекающей по нагревателю 150x150 мм 291
6.3.2 Теплообмен в пленке жидкости, стекающей по нагревателям
малого размера 293
6.3.3 Моделирование влияния термокапиллярных сил на теплообмен
в стекающей пленке жидкости 294
6.4 Теплоотдача к пленке жидкости с трехмерными деформациями 298
6.4.1 Локальный теплообмен 298
6.4.2 Условно локальный теплообмен 302
6.4.3 Осредненный теплообмен 304
6.5 Результаты главы 318
Выводы 319
Список литературы . 321
4 Список обозначений
g
а - коэффициент температуропроводности, м2/с
А — относительная безразмерная амплитуда волн = (hmax~ hmj/h
А„ог — ширина сопла, м
( о* W V'2
Аг*— модифицированное число Архимеда = ——- ———
vspy ) {p-pJ
А,С, К- константы
Ъ - ширина канала, ширина пузыря, м
В - ширина нагревателя, м
Bi - число Био = ashlZ
Во — число Бонда = pgBo2/cr
с — теплоемкость жидкости, Дж/(кг К), фазовая скорость волн, м/с
с-изобарная теплоемкость, Дж/(кг К)
С — емкость электрическая, мкФ
Са — капиллярное число = цХЛст
CD— коэффициент сопротивления = 8 U2/(3gR)
D — диаметр, м
Def-критерий деформации пленки = (h^-h^/ho,
Dh— гидравлический диаметр, м
d - диаметр пузыря, м
dm— расстояние между центрами термопар, м
е,д— степень деформации пузыря = (b-hff/b
Ео — число Этвиша = pgD2/a
/- частота следования пузырей, волн, 1/с, определяемый параметр
F— коэффициент сопротивления трения
Fi - пленочное число, число Капицы = c?/g rfp1
Fr - число Фруда = U2/gR
g - ускорение свободного падения, м/с2
G — массовый расход, кг/ с
Ga - число Галилея = gtf/v2
Gr —число Грасгофа = Rax/Pr
h — толщина канала, пленки, м
h0 — начальная толщина пленки = /^(3Re)1/3, м
hb — вертикальный размер пузыря, м
hnoz — толщина зазора сопла, м
Н- вертикальная дистанция, м
I - сила электрического тока, А
к - безразмерное волновое число = 2пЫЛ
К- критерий Кутателадзе = г/(срАТ), - кривизна поверхности, 1/м
Ка - число Капицы = d*/g j^/t5
Km - безразмерный параметр = -qcrjl(cp f3
Km* - безразмерный параметр = KmL/l
Кр - критерий разрыва = - tf*y
Кг- безразмерный параметр =
I - размер, м
L - высота нагревателя, м
Lb - длина начального участка теплообмена, м
L — высота канала, м
lo - капиллярная постоянная = [o/(p-pvg)g]in, м
/ — масштаб вязко-гравитационного, взаимодействия = (y?/g)m, м
/w— размер между возмущающими штырями, м
М — число Мортона =1/ Fi
Мп - число Марангони = (да/дТ)(дТ/ду)к
2
М*, Ма — модифицированные числа Марангони
Мв- масса воздуха, г
Мт— масса паров, .г
т — показатель степени
та— молекулярный вес воздуха
тт—молекулярный вес пара
N,,r — число структур на нагревателе
п - показатель степени, безразмерный, единичный вектор
Nu — число Нуссельта — ah/Л
Nud — число Нуссельта построенное по гидравлическому диаметру = aAh/Л
NuF — число Нуссельта = af hf Др
Nu*F - число Нуссельта = aplvF IAf j — приведенная скорость, м/с Ja - число Якоба = сАТр/ (rlvpj Р,р — давление, Па ра — атмосферное давление, Н/м2 Р„ — смоченный периметр, м Ps - число Пуазейля = pU/(gpR2) Ре — число Пекле = DU/a Рг - число Прандтля = v /а—рср IЯ
Rax— число Релея —x4g/5q/(z. va) r
q — плотность теплового потока, Вт/м2 (Вт/см2)
qA— плотность теплового потока, при которой происходит формирование структур в режиме
А, Вт/см2
qbd— плотность теплового потока, при которой происходит разрыв пленки, Вт/м2 (Вт/см2)
q — критическая плотность теплового потока, Вт/м2 (Вт/см2)
qt — локальная плотность теплового потока, Вт/м2 (Вт/см2)
qrol — плотность теплового потока, при которой заканчивается формирование
горизонтального вала жидкости вдоль верхней кромки нагревателя Вт/см2.
qs — плотность теплового потока, расходуемая на испарение жидкости, Вт/см2
Q — тепловая мощность, выделенная на нагревателе = IU, Вт
Qg - объемный расход газа, м3/с (
Q, - объемный расход жидкости, м3/с
Re - число Рейнольдса = DU/v = 17//
R2- степень корреляции (стандартная функция пакета программы EXCEL)
rlv — скрытая теплота фазового перехода, Дж/кг
г - текущий радиус, м
R - радиус, м
RT— внутренний радиус трубы, м
Rb - эквивалентный радиус пузыря = (4\73л)|/3, м
Rg - универсальная газовая постоянная = 8.3 Дж/(моль К)
Ra - безразмерный радиус пузыря = RJla i
Rv — безразмерный радиус пузыря = RJlv
S— площадь сечения канала, м2
Sk — площадь нагревателя, м2
t — время, с
tb - время прохождения пузыря через данную точку на нагревателе, с
tc — время прохождения пузыря через канал, с
/* — время прохождения жидкости от начала нагревателя до заданной точки у*, с
Г-температура, °С
Та - температура газа в дали от поверхности пленки, °С
То — начальная температура натекающей жидкости, °С
Тр— среднемассовая температура пленки =Г0 + qXJ(CpT), °C
T*F— среднемассовая температура пленки, при неравномерном q,°C
Тм — температура мокрого термометра, °С
Ts — температура насыщения, °С
Tsur — температура поверхности пленки, °С
Tw — температура поверхности нагревателя, °С
Г«- температура жидкости вдали от поверхности нагрева, °С
ATF - разность температур = TyyTF, К
ЛТ0 — полный температурный напор = Туу-Тд, К
AThc — перепад температуры поперек нагревателя, измеренный термопарами, К
U — скорость, м/с, электрическое напряжение, В
U, — скорость жидкости, м/с ; **