Введение к работе
Актуальность работы. Ручейковые течения жидкости и капли широко распространены в природе, используются в технике и перспективны в новых высокоинтенсивных теплообменниках. Перспективными считаются конденсаторы и теплообменники со слабонаклонными трубами. Основной формой движения жидкости по наклонной поверхности является ручейковое течение, также на поверхности теплообмена возможна реализация режима капельной конденсации.
Многие процессы в ручейках и каплях близки к пленочным процессам и процессам в горизонтальных слоях жидкости. Пленки хорошо изучены и широко используются. Высокая эффективность тонких пленок определяется малым удельным расходом жидкости и интенсивным теплообменом за счет большой площади контакта "плёнка-подложка". Многие процессы могут быть оптимизированы за счет утоныиения пленки, в частности в ИТ СО РАН под руководством профессора Кабова О.А. достигнут тепловой поток до 400 Вт/см2 при течении тонкой пленки жидкости, увлекаемой спутным потоком газа, по поверхности с локальным нагревателем. Тонкие пленки подвержены разрывам, появлению сухих пятен, а в определенных условиях сухие пятна начинают доминировать, и жидкость течет узкими струйками (ручейками).
Полученные в 1994 году в ИТ СО РАН регулярные структуры в тонкой, движущейся под действием гравитации пленке жидкости при ее локальном нагреве со стороны подложки, также можно рассматривать как семейство стекающих ручейков. Наличие протяженной тонкой пленки между ручейками способствует интенсификации теплообмена. В литературе [1-3] понятие "ривулетное" течение используется равнозначно термину "ручейковое" течение, здесь также будут использоваться оба слова, как синонимы. Актуальность рассмотрения теплообмена в капле жидкости и испарения взвешенной капли также определяется необходимостью усовершенствования технологии спрейного охлаждения поверхностей.
Характер течения жидкости определяется свойствами жидкости, удельным расходом жидкости, свойствами подложки, касательным напряжением на межфазной поверхности, наличием линии трехфазного контакта "жидкость - твердое тело - газ", гравитацией. На движение ручейка определяющее влияние оказывает краевой угол смачивания, течение может быть волновым, трехмерным, меандрическим. При малых расходах жидкости наблюдается распад ручейка на капли. В ряде экспериментальных исследований, в том числе [4], удалось получить ручейковые течения с однозначными характеристиками, в том числе режимы с гладкой поверхностью. Также в последнее десятилетие наблюдается тенденция изучения явления смачиваемости на примере ручейковых течений, в частности явления гистерезиса краевого угла.
Большое количество параметров осложняет построение математической модели течения жидкости. Для ручейкового течения по наклонной поверхности имеются модели, связывающие основные параметры течения, а именно расход жидкости, ширину ручейка, краевой угол смачивания, угол наклона поверхности, касательное напряжение на поверхности ривулета [5-6] и др. Однако в литературе отсутствуют модели ручейковых течений в микро-и миниканалах, учитывающие зависимость от гравитации как основного параметра.
Цели работы: теоретическое и численное исследование ручейкового течения жидкости в горизонтальном и наклонном каналах в присутствии (отсутствии) спутного газового потока; анализ влияния гравитации на радиус смоченного каплей жидкости пятна; численное исследование конвективного течения, индуцированного силами плавучести и термокапиллярными силами, в неизотермической капле жидкости, лежащей на горизонтальной поверхности; построение модели диффузионного испарения сферической капли жидкости в нейтральный газ в условиях отсутствия внешних массовых сил.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что автором впервые:
Разработана двухмерная модель ручейкового течения в щелевом канале, описывающая движение под действием гравитации и спутного потока газа по наклонной поверхности.
Проведены исследования зависимостей основных параметров ручейкового течения (ширины, высоты, профиля) в микро- и миниканале от величины гравитации, угла наклона поверхности, интенсивности воздействия газового потока на поверхность ручейка. Получены аналитические выражения для этих параметров в предельных случаях невесомости и гипергравитации. Проведенное сравнение экспериментальных данных с численными расчетами по предложенной модели показывает адекватность предложенной модели рассматриваемым задачам и возможность применять данную модель для интерпретации экспериментальных данных и в планировании экспериментов.
Построено точное решение задачи диффузионного испарения сферической капли в нейтральный газ в условиях отсутствия внешних массовых сил. Получена зависимость температуры поверхности капли и расхода испаряющейся жидкости от различных параметров, в том числе температуры и концентрации пара на удалении.
Аналитически и численно проанализирована зависимость радиуса смоченного каплей пятна и профиля капли от уровня гравитации. На основе этой зависимости предложена и запатентована идея гравиметра.
Достоверность подтверждается сравнением аналитических решений и численных расчетов, сравнением с результатами других авторов, а также сравнением с результатами экспериментов, выполненных членами научной
группы международной лаборатории, созданной Институтом теплофизики СО РАН и Свободным университетом г. Брюсселя (Бельгия) под руководством Кабова О.А.
Практическая ценность. Показана роль гравитации как основного параметра и дана оценка ее влияния на форму ручейка и капли жидкости. Часть результатов получена аналитически. Это упрощает планирование и анализ экспериментов, разработку эффективной системы охлаждения в условиях переменной гравитации. Полученные аналитические формулы и численные расчеты использовались при подготовке экспериментов по изучению двухфазного ручейкового течения, а также сидящей капли на горизонтальной подложке в параболических полетах и в земных условиях. По результатам работы получен патент.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель ручейкового течения в микро- и миниканалах. Результаты численного моделирования ручейкового течения в микро- и миниканалах.
-
Математическая модель сидящей на горизонтальной поверхности капли жидкости, учитывающая зависимость радиуса смоченного каплей пятна от уровня гравитации. Численные расчеты конвективного течения жидкости в профиле сидящей неизотермической капли с неподвижным полусферическим профилем.
-
Точное решение задачи о температуре поверхности и расходе испарившейся жидкости с неподвижной поверхности взвешенной сферической капли в условиях невесомости.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях и семинарах: 1) 6th Int. Conf. on Nanochannels, Microchannels and Minichannels, ICNMM2008, June 23-25, 2008, Darmstadt, Germany; 2) 1st European Conference on Microfluidics - Microfluidics - Bologna, December 10-12, 2008; 3) X, XI Всероссийской школе-конференции молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск (2008, 2010); 4) Всероссийской конференции, приуроченной к 90-летию академика Л.В. Овсянникова "Новые математические модели в механике сплошных сред: построение и изучение" 23-28 апреля 2009 г., Новосибирск, Россия; 5) XVII международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках", 25-29 мая 2009 г., г. Жуковский; 6) Fourth International Topical Team Workshop on Two-Phase Systems for Ground and Space Applications, Novosibirsk, Russia, September 6-8, 2009; 7) 7th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, 19-21 July 2010, Antalya, Turkey; 8) Fifth International Topical Team Workshop on Two-phase systems for ground and space applications, Kyoto, Japan September 26-29, 2010; 9) Пятая Российская национальная конференция
по теплообмену (РНКТ-5), 25-29 октября 2010 г., Москва, Россия; 10) XXIX Сибирский теплофизический семинар, 15 - 17 ноября 2010 г., Новосибирск, Россия; 11) на семинаре "Физическая гидродинамика" в Институте теплофизики под руководством чл.-корр. РАН СВ. Алексеенко; 12) на семинаре кафедры газовой и волновой динамики механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством профессора д.ф.-м.н. Н.Н. Смирнова; 13) на семинаре "Прикладная гидродинамика" в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН под руководством чл.-корр. РАН В.В. Пухначева.
Публикации. По теме диссертации в отечественной и зарубежной печати опубликовано 18 печатных работ, в том числе 9 в научных журналах и трудах конференций, три из них из списка ВАК, получен патент "Гравиметр" (номер заявки 2009129278, решение о выдаче патента от 29.09.2010), а также в восьми тезисах докладов на конференциях различного уровня.
Личный вклад автора. Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором выполнены исследования ручейковых течений по горизонтальной поверхности в условиях микрогравитации; ручейковых течений по наклонной поверхности, смены функциональной зависимости ширины ручейка от гравитации, исследования зависимости от величины краевого угла, соотношения расходов жидкость-газ; вывод модели и численные расчеты тепловой конвекции в профиле капли, исследования испарения взвешенной сферической капли в нейтральный газ в различных режимах, а также все численные расчеты, приведенные в диссертации.
Постановка задач исследований осуществлена диссертантом совместно с научным руководителем. Также в диссертации изложены результаты исследований, выполненных автором в сотрудничестве с профессором, д.ф.-м.н. В.В. Кузнецовым (ИГ СО РАН).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, разделенных на параграфы, заключения и списка литературы. Работа содержит 169 страниц текста, 80 рисунков, шесть таблиц и список литературы из 218 наименований.
