Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы, посвященной исследованию плёночных течений
1.1. Волновые плёнки жидкости
1.2. Ривулетное течение
1.3. Течение плёнок жидкости в структурных насадках
1.4. Экспериментальные методы исследования плёночных течений
2. Методы исследования плёночных течений, использованные в работе
2.1. Теневой метод
2.1.1. Принцип работы и схема теневого метода
2.1.2. Достоинства и ограничения теневого метода
2.2. Метод на основе волоконно-оптических датчиков
2.2.1. Принцип метода на основе волоконно-оптических датчиков
2.2.2. Схема метода на основе ВОД
2.2.3. Калибровка ВОД
2.2.4. Расчёт толщины плёнки
2.2.5. Достоинства и недостатки метода на основе ВОД
2.3. Метод PIV
2.3.1. Схема метода PIV в применении к исследованию ривулетного течения
2.3.2. Оптические искажения, связанные с межфазной поверхностью раздела
2.3.3. Коррекция оптических искажений
2.3.4. Погрешности измерений методом PIV 39
2.3.5. Достоинства и ограничения метода PIV
2.4. Метод лазерно индуцированной флуоресценции, LIF 40
2.4.1. Принцип работы и схема метода LIF при исследовании ривулетного течения на вертикальной пластине
2.4.2. Процедура калибровки и обработки первичного изображения в методе LIF 41
2.4.3. Источники погрешности метода LIF 42
2.4.4. Достоинства и ограничения метода LIF —
3. Исследование ривулетного течения по внешней части наклонного цилиндра
3.1. Течение ривулета при обдуве потоком газа
3.1.1. Ривулетноетечение по внешней части наклонного цилиндра
3.1.2. Условия эксперимента и режимные параметры 44
3.1.3. Режимы течения. Сонаправлениый и противоточный режимы течения 46
3.1.4. Влияние скорости газа на средние характеристики течения 48
3.1.5. Влияние скорости газа на форму волн 49
3.1.6. Регулярные волны в условиях обдува сонаправленным потоком газа. 51
3.2. Измерения поля скорости в волновом ривулете 54
3.2.1. Распределение скорости в гребнях регулярных волн
3.2.2. Условия эксперимента и режимные параметры 55
3.2.3. Влияние коррекции оптических искажений на распределение поля скорости 56
3.2.4. Профили продольной компоненты скорости 57
3.2.5. Профили поперечной компоненты скорости 60
3.2.6. Мгновенное поле скорости в волне большой амплитуды
3.2.7. Положение центра вихря в волне 62
3.2.8. Поле скорости в случае большего угла наклона 63
4. Волновое движение ривулетов, стекающих по вертикальной пластине 65
4.1. Стационарный ривулет на вертикальной плоскости
4.2. Экспериментальная установка и условия эксперимента 66
4.3. Гладкий ривулет. Случай малого контактного угла 67
4.4. Режимные карты ривулетного течения 69
4.5. Виды волн на ривулете. Случай малого контактного угла 70
4.6. Развитые регулярные волны 71
4.7. Расширение ривулстов вниз по потоку с изменением частоты возбуждения 72
4.8. Виды волн на ривулете. Случай большого контактного угла 74
5. Распределение жидкости в колонне со структурными насадками 78
5.1. Малая модель ректификационной колонны
5.2. Параметры структурной насадки
5.3. Схема и работа гидродинамического стенда 79
5.4. Измерительная система 81
5.5. Карта режимов
5.6. Перепад давления в колонне 82
5.7. Регулярные геометрические ячейки 83
5.8. Течение плёнки этанола в краевой ячейке 84
5.9. Измерения в центральной области колонны
5.10. Влияние расходных характеристик на распределение плёнки на ребре в элементарной геометрической ячейке 85
5.11. Влияние расходных характеристик на распределение плёнки в ложбине, на «донном» и «потолочном» склонах в элементарной геометрической ячейке 87
5.12. Гистерезис толщины плёнки в области точек контакта пластин 88
5.13. Распределение толщины в поперечном сечении колонны 89
Заключение
- Ривулетное течение
- Погрешности измерений методом PIV
- Профили поперечной компоненты скорости
- Течение плёнки этанола в краевой ячейке
Введение к работе
Одним из широко распространённых в природе и технике видов течения жидкости является плёночное течение. Сложный характер плёночных течений определяется множеством факторов, среди которых - физические свойства жидкости, геометрические параметры поверхности, по которой течёт плёнка, наличие контактных линий, касательные напряжения на межфазных поверхностях раздела, волновые процессы на свободной поверхности плёнки. Малое термическое сопротивление плёнок жидкости и большая поверхность контакта, при малых удельных расходах жидкости, определяют высокую интенсивность процессов тепло и мас-сообмена. При этом существенная интенсификация процессов переноса возникает при наличии волн на поверхности плёнки. Эти качества плёночных течений широко используются в различных технологических процессах и промышленных установках. Плёночные течения применяются в ряде массообменных аппаратов, таких как ректификационные колонны, абсорберы, испарители, кристаллизаторы, а также в холодильной технике - теплообменниках и охладителях. Широко применяются плёнки жидкости в химической и пищевой промышленности. В последнее время возрастает интерес к технологиям формирования плёночных течений при струйной обработке поверхностей.
Характерной особенностью плёночных течений является неустойчивость по отношению к внешним возмущениям. Вследствие этого на поверхности плёнок практически всегда реализуется волновое движение. Широкий набор параметров, влияющих на течение, обуславливает сложность построения математических моделей, описывающих движение плёнок жидкости. Поэтому обычно, теоретическое описание плёночных течений требует дополнительных приближений и допущений, а, соответственно, возникает потребность в подробной экспериментальной информации.
Большинство теоретических работ посвящено исследованию гладких пленочных течений на поверхностях различной геометрии (наклонная плоскость, цилиндр, шар, конус, профилированные или как их называют - развитые поверхности и др.). Теоретические исследования волновых процессов на плёнках, в большинстве случаев, касаются двумерных режимов, в то время как на практике гораздо чаще реализуются волны с трёхмерной структурой, что существенно осложняет расчёты. Большое число экспериментальных работ посвящено формированию и развитию естественных и возбуждённых волн на двумерных плёнках жидкости в канонических условиях (наклонная плоскость, вертикальный цилиндр и др.). Вместе с тем, необходимость развития современных промышленных плёночных аппаратов требует детального теоретического и экспериментального описания физических процессов в ситуациях, когда плёночные течения реализуются в существенно усложнённых условиях, например, стекание пленок по геометрически сложным поверхностям, наличие контактных линий, произвольно ориентированного газового потока. Среди таких процессов можно выделить течение плёнок жидкости в структурных насадках, собранных из трёхмерных профилированных поверхностей, ривулетные (ручейковые) течения различной конфигурации. Несмотря на наличие многочисленных работ, посвященных исследованию интегральных и локальных характеристик пленочных течений, для ряда задач, перечисленных выше, экспериментальные данные, представленные в литературе, ограничены. Экспериментальное исследование плёнок жидкости в усложнённых условиях, затруднено в силу высоких требований предъявляемых к организации эксперимента и возможностям методов измерения. В данной работе представлены результаты по исследованию ряда экспериментальных задач с различными подходами при организации эксперимента. Так, в случае плёночного течения по профилированной поверхности был применён новый метод измерения локальной толщины плёнки жидкости внутри малой модели реального технологического устройства. В случае ривулетного течения, исследования проводились на геометрически более простых поверхностях (наклонном цилиндре и вертикальной плоскости), как условно выделенных локальных областях реальных технологических устройств, но с применением полевых методов для измерения характеристик волнового движения плёнок жидкости.
- Цели работы:
- изучение влияния скорости и направления потока газа на волновые
характеристики ривулетного течения по внешней поверхности наклонного цилиндра;
- исследование структуры внутреннего течения в волновом ривулете на внешней поверхности наклонного цилиндра с использованием адаптированного метода
Particle Image Velocimetry;
- исследование волнового движения ривулетов, стекающих по вертикальной пластине при различных значениях контактных углов смачивания и чисел Рейнольдса;
- изучение влияния режимных параметров на локальное распределение жидкости внутри типичной геометрической области сложной развитой поверхности (структурной насадки) с использованием метода измерения локальной толщины плёнки жидкости на основе волоконно-оптических датчиков.
Научная новизна:
- исследовано влияние скорости потока газа на характер регулярных волн ривулетного течения и получены количественные данные о гидродинамических характеристиках ривулетного течения в условиях обдува сонаправленным потоком газа;
- впервые для исследования структуры распределения скорости внутри регулярных волн на ривулете применён метод PIV и разработана процедура коррекции оптических искажений вызванных наличием межфазной поверхности;
- впервые экспериментально зафиксировано существование вихревого движения внутри регулярных волн на поверхности ривулетного течения;
- с применением метода LIF проведены полевые измерения локальной толщины волнового ривулета на вертикальной пластине и получены новые данные о структуре возбуждённых волн на поверхности ривулетов для различных значений контактных углов смачивания;
- применён новый метод измерения локальной толщины плёнки жидкости на основе волоконно-оптических датчиков, позволивший получить данные о распределении жидкости в геометрически сложной, закрытой от прямого наблюдения области;
- впервые экспериментально получено локальное распределение жидкости внутри геометрической ячейки структурной насадки и изучено влияние режимных параметров на это распределение.
Практическое значение:
Полученный в работе объем экспериментальных данных позволяет проводить оптимизацию конструкций ряда аппаратов энергетики и химической технологии, где используются пленочные и ривулетные течения - теплообменников различных конфигураций, массообменных устройств (абсорберы, ректификационные колонны). Анализ результатов проведенных исследований открывает дополнительные возможности для модификации и верификации математических моделей пленочных и ривулетных течений с учетом реальных физических закономерностей. Усовершенствованные и примененные в работе экспериментальные методики могут найти дальнейшее использование в гидродинамическом эксперименте по изучению структуры трехмерных пленочных течений в усложненных условиях (наличие контактной линии, геометрически сложные поверхности, наличие газового потока). Достоверность результатов: основывается на использовании отработанных методов экспериментальных исследований и на тщательных калибровках новых методов измерения, проводимых отдельно на объектах с известными физическими свойствами и размерами. Для повышения точности, в экспериментах применялось условное осреднение на основе многократно повторяющихся измерений.
Результаты работы хорошо согласуются с данными известных экспериментальных и теоретических работ.
На защиту выносятся:
- адаптация методов PIV и LIF к полевым исследованиям волновой трёхмерных плёнок жидкости - ривулетов;
- результаты экспериментального исследования ривулетного течения по внешней части наклонного цилиндра в условиях обдува потоком газа;
- результаты экспериментального исследования распределения поля скорости в гребнях развитых регулярных волн на ривулетах стекающих по внешней части наклонного цилиндра;
- экспериментальные результаты по изучению волнового движения ривулетов на вертикальной пластине в зависимости от значения контактного угла смачивания;
- опыт практического использования метода измерения локальной толщины плёнки жидкости на основе волоконно-оптических датчиков (ВОД);
- результаты экспериментального исследования распределения жидкости в элементарной ячейке структурной насадки.
Ривулетное течение
Обычно, под ривулетным (ручейковым) течением подразумевают узкое струйное течение по твёрдому телу со свободной поверхностью раздела газа и жидкости. Иначе, ривулетом можно называть плёнку жидкости, ограниченную контактными линиями раздела трёх фаз - жидкости, газа и твёрдого тела. В природе ривулеты наблюдаются при разрушении сплошных плёночных течений [Eres М.Н. et al., 2000; Johnson M.F.G. et al, 1999; Kabov O.A. et al., 2008; Зайцев Д.В. и др., 2004], a также при течении струек по поверхностям с плохой смачиваемостью, например воды по стеклу или пластмассе. Так в [Johnson M.F.G. et al., 1999] исследовалась неустойчивость движущейся двумерной контактной линии в тонкой плёнке на наклонной пластине с переходом к формированию ривулетов. В работе получены данные о форме ривулетов и скорости их распространения как функций угла наклона пластины. Во многих технологических процессах и промышленных установках (таких как теплообменники, абсорберы, ректификационные колоны и др.) ривулетное течение является основным режимом течения жидкости. В то же время, в теплооб-менной технике ривулетное течение может являться нежелательным режимом, например при разрушении сплошного плёночного течения, появлении сухих пятен и соответственном падении интенсивности теплообмена. Формирование ривулета на наклонной гладкой пластине характеризуется изменением режима течения с ростом расхода жидкости, наклона пластины и вязкости жидкости [Grand-Piteira N. Le et al., 2006]. Выделяются несколько основных режимов ривулетного течения (рис. 1.5). При малых расходах жидкости реализуется капельный режим [Daerr A. et al., 2003; Snoeijer J.H. et al., 2005; Hirt C.W., 1998] (рис. 1.5,a); с дальнейшим ростом расхода - прямоточное ривулетное течение [Carlos A. et al., 2004] (рис. 1.5,6). По достижении первого критического значения расхода реализуется искривлённое (в виде меандра) стационарное течение [Towell G.D., Rothfeld L.B., 1966; Kim Н. et al., 2004] (рис. 1.5,в). Размерный анализ и экспериментальные наблюдения, сделанные в работе [Kim Н. et al., 2004] демонстрируют тот факт, что гистерезис контактного угла сильно влияет на радиус искривления течения ривулета.
По достижении второго критического значения расхода ривулет перестаёт быть стационарным и начинает вилять из стороны в сторону (из-за наличия гистерезиса угла контакта [Towell G.D., Rothfeld L.B., 1966]) изредка разрываясь на несколько ривулетов (рис. 1.5,г). В [Birnir В., et al., 2008] динамическое ме-андрирование ри-вулетного течения на наклонной плоскости вызывалось переменным расходом жидкости и каплями жидкости на пластине от движущегося ривуле-та. В работе была развита модель динамического меан-дрирования риву-лета, которая даёт Рис. 1.5. Режимы течения ривулетов с ростом расхода жидкости: а - капельный режим; б - прямой стационарный ривулет; в - течение в виде стационарного меандра; г - динамический, нестационарный режим; д - течение в виде прямого жгута, переменной ширины. надёжное статистическое описание для отклонения потока от прямолинейного течения. При достаточно больших расходах ривулет вновь становится прямым и стационарным, однако его ширина изменяется как у плетёного жгута (рис. 1.5,д). Отметим, что с ростом вязкости жидкости нестационарность течения подавляется, соответственно растут критические расходы и радиус искривления (меандра) [Schmuki P., Laso М., 1990, Grand-Piteira N. Le. ct al., 2006]. Большинство теоретических работ посвящено моделированию стационарных и гладких ривулетов. Так, в работе [Carlos A. et al., 2004] было представлено аналитическое и численное моделирование ривулетов, стекающих по наклонной пластине, а также проведены расчёты для определения формы свободной поверхности и поля скорости внутри плёнки. В работе [Holland D. et al., 2001], рассмотрено течение ривулета по нагретым и охлаждённым поверхностям (относительно температуры окружающей среды). Численные расчёты показали, что линейное изменение поверхностного натяжения с температурой приводит к появлению поперечного течения, которое в свою очередь вызывает закручивание жидкости внутри плёнки в спиральные вихри вниз по потоку. Течение ривулетов в усложнённых условиях рассмотрено в ряде работ Wilson S.K. с соавторами. Так, в работах [Wilson S.K., Duffy B.R., 1998, 2005] в приближении теории смазки проведены аналитические и численные расчёты свободной поверхности ривулетов, стекающих по наклонным, слабо искривлённым поверхностям. В [Wilson S.K., Duffy B.R., 2002а] исследовано влияние температуры пластины на характер течения тонкого ривулета, с сильным изменением вязкости. Было показано, что в приближении теории смазки, температура окружающего пространства всегда оказывает сильное влияние на движение ривулета. Ряд работ посвящен изучению влияния переходов между различными режимами ривулетного течения, которые сопровождаются сильными изменениями в интенсивности тепло и массообмена [Schmuki P., Laso М„ 1990]. В работе [Sultanovic D. et al., 1997] проведено экспериментальное исследование теплообмена нагретой поверхности с водными ривулетами. Измерения показали, что переходы между различными режимами течения сопровождаются сильными изменениями в уровне теплоотдачи. Направші Исследование волновой структуры ривулетного течения заіруднено в силу неоднородности и неустойчивости большинства режимов ривулетного течения [Towel! G.D., Rothfeld L.B., 1966]. Тем не менее, в ряде случаев, удаётся организовать стационарное волновое течение ривулетов. Так, при струйном орошении наклонного цилиндра жидкость собирается на его нижней стороне и движется в виде стационарного ривулета с постоянной шириной.
Впервые волновая структура ривулетов стекающих по нижней части наклонного цилиндра была изучена в [Alekseenko S.V. et al., 1996а]. С применением метода наложенных периодических пульсаций расхода жидкости в работе был изучен широкий спектр стационарных нелиней-, описан только на базе анализа полей скорости внутри жидкости. В работах [Міуага А., 1999, 2000] представлен численный расчёт характеристик течения и связанный с ними теплоперенос в волновых плёнках на вертикальной пластине. В этих работах, в частности, продемонстрировано наличие вихревого движения к гребне полностью развитой катящейся волны, рис. 1.9. В то же время, экспериментальные исследования на двумерных плёнках [Alekseenko et а!., 1985] до сих пор не выявили вихревого движения в гребнях волн. Отметим, что данные по экспериментальному исследованию структуры полей скорости в волновом ривулетном течении в литературе отсутствуют. Наиболее сложной задачей в исследовании плёночных течений является совместное течение плёнки жидкости и потока газа. Наличие потока газа над поверхностью жидкости приводит к появлению касательных и нормальных напряжений на межфазной поверхности, которые кардинально влияют на устойчивость пленки и характеристики возникающих волн. В ряде экспериментальных работ [Rossum J.J., 1959; Lilleleht L.U., Hanratty T.J., 1961b; Smith T.N., Tait R.W.F., 1966; Hanratty T.J., Engen J.M., 1957; Cohen L.S., Hanratty T.J., 1968] исследовалось горизонтальное совместное течение пленки жидкости и турбулентного потока воздуха. Были установлены различные волновые режимы течения и определены границы этих режимов, а также измерены параметры возникающих на поверхности жидкости волн. Теоретическое и экспериментальное исследование волнообразования на гладких горизонтальных плёнках жидкости, вызванное потоком турбулентного газа было проведено в [Craik A.D.D., 1966]. В этой работе экспериментально обнаружено и теоретически обосновано явление неустойчивости в случае очень тонкой плёнки жидкости. Исследовано влияние нормальных и продольных напряжений на устойчивость начальных возмущений. Экспериментальное исследование волновой плёнки воды в условиях обдува противоточным потоком турбулентного газа проводилось в [Guguchkin V.V. et al., 1975]. Здесь было показано, что плоско параллельное течение плёнки теряет устойчивость несколько быстрее, чем это предсказывает линейная теория устойчивости. С ростом толщины плёнки это различие уменьшалось. В работе также наблюдались два типа одновременно сосуществующих волн. Устойчивость вертикального совместного течения воздуха и пленки воды впервые экспериментально изучалась в работе [Семенов П.А., 1944].
Погрешности измерений методом PIV
Конечное разрешение скорректированных полей скорости в продольном направлении составило от ПО до 150 мкм/вектор в зависимости от режима течения. Полная максимальная ошибка измерений оценивается в 10% относительно максимальной скорости в продольном направлении. Она состоит из ошибки алгоритма - ±1-10"3 м/с (0,5 - 1,0% от Umax в зависимости от режима) и дополнительной ошибки, значение которой значительно выше. Дополнительная ошибка связана с ошибкой в измерении фазовой скорости волны и с влиянием коэффициента искажения, значение которого уменьшается при приближении к поверхности цилиндра и увеличивается вблизи свободной поверхности. Абсолютные значения поперечной скорости V на порядок ниже значений продольной скорости U. Абсолютная ошибка алгоритма измерения поперечной скорости оценивается в 1,0-10"3 м/с, что соответствует от 5 до 50% относительно максимальной поперечной скорости в различных поперечных сечениях волны. Ошибка, связанная с оптическими искажениями, достигает того же порядка, но с приближением к стенке цилиндра она падает, поскольку кривизна в этой области не столь значительна. В целом, представленная методика измерения и процедура коррекции оптических искажений позволяет с высокой точностью исследовать поле скорости внутри плёнок жидкости толщинами от 1 - 2 мм и выше. Метод PIV - один из немногих методов, которые позволяют получить информацию о поле скорости внутри плёнки жидкости. Среди его достоинств - беско-тактность и достаточно малая погрешность,измерения, которая к тому же может быть уменьшена с применением оптических систем большого разрешения и развитием новых алгоритмов расчёта компонент скорости. Вместе с тем, метод PIV, в применении к плёночным течениям, обладает рядом ограничений, связанных, во-первых, со сложной процедурой коррекции оптических искажений (пункт 2.3.3), а во-вторых: с наличием «мертвой» зоны вблизи поверхности трёхмерной плёнки жидкости (пункт 2.3.2). Для исследования структуры и волновых характеристик ривулетного течения на вертикальной пластине, в данной работе, применён метод LIF на базе измерительной системы PIV, [Kharlamov S.M. et al., 2006]. При освещении области плёнки, содержащий растворённый флуоресцентный краситель, пучком монохроматического света определённой частоты возбуждается флуоресцентное свечение с частотой, отличной от частоты источника возбуждения.
Его интенсивность пропорциональна локально освещенной области жидкости и соответственно толщине плёнки жидкости. При освещении достаточно большой области становится возможной регистрация поля локальных толщин ПЛёшш жидкости. Схема LIF метода представлена на рис. 2.9. Трёхмерная плёнка жидкости стекает по прозрачной вертикальной пластине. Условия эксперимента изотермические. В качестве флуоресцентного красителя применяется Родамин 6G с длиной волны переизлучепия равной -570 нм. Отметим, что в малых концентрациях флуорофор не влияет на физические свойства жидкости [Seno К. et а!., 2001], а интенсивность флуоресценции слабо зависит от температуры при низких концентрациях раство- Волиовой ра (С а 0,01%). Источник и прием-/ Несмотря на ограничения, теневой метод является простым в реализации и надёжным вспомогательным инструментом при исследовании локальных волновых характеристик плёночных течений. S На основе волоконно-оптических датчиков отражательного типа разработан метод измерения локальной толщины плёнки жидкости. Метод позволяет проводить измерения амплитудно-частотных характеристик течений волновых плёнок в труднодоступных областях со сложной геометрией. S Адаптация метода PTV к измерениям в мелкомасштабных объектах позволяет исследовать структуру полей скорости внутри регулярных волн на ривулетах, стекающих по нижней части наклонного цилиндра. Разработан алгоритм коррекции оптических искажений, вызванных кривизной межфазной поверхности. S С использованием метода LIF, продемонстрирована возможность полевых измерений локальной толщины плёнки жидкости. Метод, с высокой точностью, позволяет получить полную информацию о трёхмерной структуре волновой поверхности ривулетного течения на плоской вертикальной пластине. При струйном орошении наклонного цилиндра жидкость собирается на его нижней стороне и движется в виде ривулета. В случае хорошей смачиваемости жидкостью поверхности цилиндра формируется ривулет постоянной ширины. Подобно двумерному плёночному течению, ривулетное течение неустойчиво, что приводит к образованию поверхностных волн. Волны существенно влияют на картину течения ривулета и оказывают сильное воздействие па процессы массоперено-са. Следствием нестабильности процесса естественного волнообразования является большой разброс экспериментальных данных по волновым характеристикам. По этой причине в данной работе применён метод наложенных колебаний, позволяющий получать волны с контролируемыми характеристиками [Alekseenko S.V. et al., 1996а]. При наложении внешних возмущений (пульсаций расхода жидкости) на поверхности ривулета образуются строго регулярные стационарные волны. При этом картина волн определяется только частотой наложенных колебаний. Стационарные волны существуют в ограниченном диапазоне частот наложенных колебаний. Эксперименты проводились в частотном диапазоне, когда частота волн на поверхности ривулета строго совпадает с частотой наложенных колебаний, в отсутствии двугорбых профилей [Alekseenko S.V. et al., 1996а].
Семейство волновых режимов включает в себя режимы от практически синусоидальных до уединённых волн с большой амплитудой. В данной работе эксперименты проводились в условиях обдува плёнки потоком воздуха с тем, чтобы выяснить влияние скорости потока газа на волновые характеристики ривулетного течения. Схема экспериментальной установки изображена на рис. 3.1. Рабочий участок представлял собой стальной наклонный цилиндр 020 мм, длиной і м, углом наклона а к горизонту, который изменялся от 5 до 15. Поверхности цилиндра искусственно была придана шероховатость с характерным размером неровности = 0,05 мм. Такая шероховатость обеспечивала хорошую смачиваемость и постоянное значение контактного угла по всей длине ривулета. Жидкость поступала на рабочий участок в виде тонкой струйки, стекающей из сужающегося сопла расположенного над цилиндром. В окрестности области орошения формировалось неразрывное кольцевое плёночное течение на расстоянии - 0,1 м вниз по потоку. Далее жидкость собиралась на нижней части наклонного цилиндра и стекала в виде ривулета. Рабочий цилиндр был помещён в воздушный канал прямоугольного сечения размером 40х 34 мм, в котором через систему выравнивающих решеток создавался ПОТОК газа (воздуха) С Рис. 3.1. Схема экспериментальной установки. 44 равномерным распределением скорости. В качестве рабочей жидкости был использован 50% водный раствор глицерина. При t = 21 С плотность раствора pi = 1,125-Ю3 кг/м3, кинематическая вязкость v = 5,3-Ю"6 м2/с, кинематическое поверхностное натяжение ai/pi = 53,9-10 м /с2. Расход жидкости Qi, который контролировался ротаметром с точностью 0,01 мл/с, менялся в пределах от 0,4 мл/с до 1,4 мл/с, что соответствовало диапазону чисел Рейнольдса Re = Qi/(bov): Re - 7 н- 27,8. Относительная ошибка в определении расхода жидкости составила 2 - 3%. Здесь bo - асимптотическое значение ширины гладкого ривулета из полученного в работе [Kuibin Р.А., 1996] соотношения Ь0 -4,667Яса (R3 Qdim) ni , где Kap—-\aLl pigcosa - капиллярная постоянная, безразмерный расход Qmm = QL/{SK,P since J V) , и безразмерный радиус цилиндра Rdim = Я/Ясар . В экспериментах исследовались режимы с наложением внешних периодических возмущений (пульсаций расхода жидкости) [Alekseenko et al. 1996а]. Частота возбуждения F изменялась в пределах от 4 Гц до 12 Гц. В этом диапазоне реализовывались стационарные регулярные волновые режимы на всём протяжении рабочего участка. Для измерения локальной толщины Н (рис. 3.1) и волновых характеристик потока был использован модифицированный теневой метод, см. пункт 2.1. Под толщиной ривулета подразумевается максимальная толщина жидкого слоя в поперечном сечении.
Профили поперечной компоненты скорости
В случае большего угла наклона цилиндра, а = 10, было также зафиксировано вихревое движение в гребле регулярной волны. Как было показано в [Alekseenko et а]., і996а, 1999], для данного угла наклона диапазон стационарных режимов шире, чем для а= 5, амплитуды волн меньше, а фазовые скорости волн выше для тех же расходов жидкости. На рис. 3.22 и рис. 3.23 представлены результаты для наиболее показательного случая - режима с волной наибольшей амплитуды, реализуемой для а = 10. Из рисунка видно, что вихрь становится более локализованным и смещается по оси У к поверхности волны. Положение центра вихря находится на расстоянии F= 1,7 мм от поверхности цилиндра. По оси X положение центра по-прежнему остаётся, как и для режимов с углом наклона цилиндра а = 5, на расстоянии « 1 1,3 мм за центром гребня волны. С увеличением угла наклона цилиндра в данном случае фазовая скорость волн возрастает до С = 0,4 м/с. Таким образом, абсолютные значения продольной компоненты скорости U возрастают более чем в 2 раза, в то время как значения компоненты скорости достаются на прежнем уровне. Соответственно возрастают градиенты скорости, что приводит к снижению точности измерений и как следствие менее чёткому опре-1 С использованием теневого метода и визуальных наблюдений проведено исследование ривулетного течения на внешней части наклонного цилиндра в условиях обдува потоком газа. S Рассмотрены основные режимы ривулетного течения на наклонном цилиндре в условиях сонаправленного и противоточного течений газа и жидкости. S Подробно изучено влияние скорости сонаправленного потока газа на форму волн. Показано, что начиная с Uy = 15 м/с в частотном спектре в зависимости от скорости потока газа наблюдается сдвиг основной частоты волн в сторону высоких частот. / В области существования регулярных волн, в условиях сонаправленного потока газа, исследованы средние гидродинамические характеристики волновых режимов. Основное влияние потока газа проявляется в росте амплитуды регулярных волн. S Исследованы зависимости фазовой скорости от амплитуды и длины волны. Показано, что с ростом скорости обдува сонаправленным потоком газа расслоение в амплитудной зависимости фазовой скорости становится менее выраженным, а число Рейнольдса, при котором расслоение данных становится заметным, увеличивается с Re = 15 (без обдува) до Re = 24 (при Uy = 1 м/с).
В условиях обдува значение показателя степени в степенной зависимости С Як, становится больше для всех расходов. С ростом расхода жидкости в условиях обдува значение показателя степени монотонно убывает. S С использованием метода PIV проведены измерения мгновенных распределений скорости в волновой плёнке жидкости, стекающей по наклонному цилиндру. Разработана и применена процедура коррекции оптических искажений, связанных с криволинейной межфазной границей плёнки жидкости. S Для различных волновых режимов и углов наклона в гребнях волн зафиксировано вихревое движение жидкости. S В различных сечениях волны получены осредненные профили продольной и поперечной компонент скорости жидкости. Показано, что для всех исследованных режимов, в начальном фронте волны, профили продольной компоненты скорости более заполнены по сравнению с параболическим профилем, а в заднем фронте - менее заполнены. / С ростом амплитуды волн, для заданного угла наклона цилиндра, положение центра вихря в абсолютных координатах изменяется слабо. С ростом угла наклона и соответственно ростом продольной компоненты скорости вихревое движение становится менее интенсивным, а центр вихря смещается к границе волной поверхности. Как уже указывалось в Главе 1, в большинстве случаев, по вертикальной плоскости ривулеты стекают в виде неоднородных и нестационарных S-образных струек, что обусловлено наличием гистерезиса контактного угла смачивания. Кроме того, существенное влияние на стационарность течения оказывает наличие волн на свободной поверхности ривулета. Поэтому, экспериментальное исследование волновых ривулетов связано с большими трудностями в организации стабильного ривулетного течения (в смысле организации прямых стабильных берегов). Вместе с тем, выбор рабочих жидкостей с определёнными физическими свойствами и использование покрытии рабочего участка, обеспечивающих слабый гистерезис контактного угла смачивания, позволяет организовать стационарные ривулеты со стабильными линиями контакта. При этом физические свойства жидкостей и значения контактных углов смачивания могут существенно различаться. .Рис. 4.1. Фотография свободной поверхнос волнового ривулета с ф.[\ч рофорОМ. Использование экспериментального метода LIF, описанного в пункте 2.4, позволяет проводить полевые измерения толщины свободной поверхности ривулета, и следовательно, получать детальные картины волновой поверхности ривулета для различных волновых режимов и чисел Рейнольдса. Такие экспериментальные данные могут быть использованы для сравнения волновых характеристик ривулетного течения с известными данными по двумерному плёночному течению (для одинаковых чисел Рейнольдса), и с данными по ривулетному течению по нижней части наклонного цилиндра [Alekseenko el al. 1996а]. Определённый интерес вызывает возможность прямого сравнения данных эксперимента с теоретической моделью для гладкого ривулета на наклонной пластине с точным решением для профиля поперечного сечения [Carlos et al., 2004]. Работа измерительной системы на основе LIF подробно описана в Главе 2, пункт 2.4.1.
Схема эксперимента представлена на рис. 2.9. Ниже отметим ряд особенностей экспериментальной установки и режимных параметров в случае исследования ривулетного течения. Рабочий участок представлял собой вертикальную стеклянную пластину размером 200 650 мм. Для изменения контактного угла смачивания ривулетного течения одной и той же рабочей жидкости на пластину наклеивались различные полимерные покрытия. Ривулет был организован при помощи распределительной щели фиксированной толщины и переменной ширины с характерными размерами 1 х(1 ч-10) мм. В качестве рабочих жидкостей использовались водные растворы глицерина и этилового спирта. Физические свойства растворов представлены ниже. Водный раствор глицерина (25% глицерина): плотность pi = 1,04-10 кг/м3, кинематическая вязкость v= 2,4-10" м /с, и кинематическое поверхностное натяжение Gi/pi - 53,9-Ю"6 м3/с2. Водный раствор этилового спирта (45% спирта): плотность pL = 0,925-Ю3 кг/м3, кинематическая вязкость v= 2,6-10"6 м2/с, и кинематическое поверхностное натяжение ai./pi = 32,9-10" м /с . Расходы жидкости в эксперименте составляли от 0,12-10" до 4,8-10"6 м /с, а соответствующие числа Рейнольдса Re = 7,2 + 45,3 для водного раствора глицерина и Re = 25,5 + 58,1 для водного раствора этилового спирта. Здесь число Рейнольдса рассчитывалось но формуле Re = gH}/(3\?), где Н - наибольшая толщина гладкого стационарного ри-вулета в поперечном сечении для данного расхода жидкости. В экспериментах исследовались режимы как со стационарными гладкими ривулетами, так и с периодическим внешним возбуждением расхода жидкости. Частота возбуждения изменялась в пределах от 0,5 Гц до 50 Гц. В этом диапазоне при одном и том же значении числа Рейнольдса наблюдались волновые режимы различные по форме и значению амплитуды. В качестве примера, на рис. 4.1 представлена фотография первичного изображения волнового ривулета, полученная для дальнейшей процедуры обработки, см. пункт 2.4.2.
Течение плёнки этанола в краевой ячейке
Рассмотрим механизм распределения жидкости в краевой ячейке, доступной для наблюдения и съемки видеокамерой, при орошении одиночной струей этанола элемента из 10 гофрированных листов Koch 1Y. Расход этанола составлял 4-Ю"6 м /с. Струя вытекала из сопла с диаметром отверстия 2,3-10" м с высоты 7-10 м над серединой пакета. Р1а рис. 5.6 показана типичная картина распределения жидкости в краевой ячейке на гофрированной поверхности пластин. Визуальные наблюдения показали, что в области каждой точки контакта на ребрах гофрированных пластин (например, точки А и В), жидкость образует два смежных мениска, толщина пленки в которых максимальна, но не одинакова. Нижний мениск в точке А (или «потолочный» мениск) больше верхнего мениска в точке В (или «донного» мениска) из-за перетекания жидкости вниз под действием силы тяжести. Вниз по течению жидкость из мениска А под действием эффекта Коанда, в основном, течет по боковой поверхности, образуя третий мениск С во внутренней области двугранного угла гофра. Незначительная часть жидкости перетекает по ребру. Можно предположить, что подобный механизм перераспределения жидкости происходит в каждой точке контакта гофрированных пластин внутри каждого элемента. Измерения толщины пленки 8 с помощью ВОД, ее среднеквадратичного отклонения а и вероятности наличия жидкости на гофрированных пластинах (Pwet) прове- При малом расходе жидкости (рис. 5.7,а, CL = 5-Ю" м/с) в центральной зоне ячейки ребро сухое, «потолочный» мениск {Хтеоп = 0,22) немного больше «донного» мениска (Хтеап = 0,78), а интенсивность пульсаций толщины пленки ет(рис. 5.7,6) практически равна нулю. Профиль вероятности наличия жидкой пленки Pwe, на ребре (рис. 5.7,е) имеет форму траншеи. В области точек контакта пластин жидкость в менисках есть всегда с вероятностью 100%, а толщина пленки максимальна. В центральной зоне ребра Pwe, практически равна нулю. Увеличение расхода жидкости при Ку= 8і 10 3 м/с (рис. 5.7,а, CL= 1,5-10" м/с) приводит к небольшому росту менисков, а также к появлению тонкой пленки жидкости в центральной зоне ребра. Профиль среднеквадратических пульсаций ст(рис. 5.7,6) имеет два мак- симума, которые расположены около краев менисков.
Интенсивность пульсаций около «донного» мениска почти в два раза больше, чем у «потолочного», что указывает на более интенсивный процесс перераспределения жидкости в этой области ребра внутри ячейки. При этом вероятность появления пленки жидкости Рке, в центральной зоне ребра увеличивается до 55% (рис. 5.7,е). Увеличение расхода газа в колонне до Ку = 3,5-10" м/с приводит к небольшому перераспределению жидкости внутри ячейки и некоторому выравниванию менисков, а также к появлению тонкой пленки в центральной зоне ребра при Сі - 5-Ю" 3 м/с (рис. 5.8,л). Интенсивность пульсаций толщины пленки жидкости по всей длине ребра при этом выравнивается, а амплитуда уменьшается почти в два раза (рис. 5.8,6). Поток газа оказывает стабилизирующее действие на пленку жидкости. Профиль вероятности Л«!г на ребре немного изменяется (рис. 5.8,в). Таким образом, распределение жидкости на ребре внутри центральной геометрической ячейки качественно соответствует результатам визуальных исследований по распределению жидкости внутри краевой ячейки (см. рис. 5.6). Зависимость распределений толщины пленки жидкости и ее среднеквадратичного отклонения от режимных параметров в ложбине, и на боковых поверхностях гофра в центральной ячейке показана на рис. 5.9 для Ку - 9-Ю"3 м/с. На рис. 5.9,а показано, что при увеличении расхода жидкости имеет место плавный рост толщины пленки в ложбине ячейки (кривая 1) и на боковых поверхностях гофра (кривые 2, 3). На «донной» поверхности гофра (кривая 2) толщина пленки жидкости на 10-20% меньше, чем на «потолочной» поверхности (кривая 3). Пульсации толщины пленки жидкости в ложбине и на боковых поверхностях гофра равны нулю до Сі т 7,5-10"э м/с. Увеличение С/, до 1,5-10 м/с приводит к росту сгдо и(5- 6)-10-4 м на боковых поверхностях гофра, а в ложбине - до а 5-10" м (рис. 5.9,6). Течение на боковых поверхностях гофра менее стабильно, чем в ложбине, что, по-видимому, связано с процессом перетекания жидкости через ребра гофров. Увеличение расхода газа в колонне до Ку = 2,7-10"2 м/с приводит к росту толщины пленки жидкости в ложбине ячейки на (10 - 20)% (рис. 5.10,о). На «потолочной» поверхности гофра толщина пленки также на (10 - 20)% увеличивается, а на «дойной» поверхности гофра она незначительно уменьшается (рнс. 5.\0,а). Интенсивность пульсаций толщины пленки на боковых поверхностях гофра уменьшается почти в два раза, то есть наблюдается эффект стабилизации поверхности пленки встречным потоком воздуха (рис. 5.10,6). Эффект стабилизации потоком воздуха в случае воды носит такой же характер. 5.12. Гистерезис толщины плёнки в области точек контакта пластин. Анализ экспериментальных данных показал, что толщина пленки в области точек контакта пластин мало изменяется при уменьшении расхода жидкости. При увеличении расхода жидкости ее изменения более существенны, то есть наблюдается гистерезис, как и в работе [Nicolaiewsky Е.М.А. et al., 1999b] в распределении жидкости по гофрированной пластине. Визуальные наблюдения в краевой ячейке показали, что жидкость в области точек контакта движется, а не является застойной. Сравнение толщины пленки в области точек контакта пластин, в ложбине и на склонах гофра показывает, что при относительно малых расходах через точки контакта перетекает количество жидкости такого же порядка, как и по ложбине гофрированной пластины.
На рис. 5.5 представлена одна из реализованных схем расположения ВОД внутри элементарной геометрической ячейки. Пластина с датчиками была установлена в центре трёхслойного пакета по оси колонны. Один из датчиков (ВОД 1) был расположен вблизи точки контакта пластин. На рис. 5.11 показаны зависимости толщины пленки от расхода этанола при скорости газа Ку = 0,7 10"2 м/с и Kv= 3,6!0"2 м/с. Стрелками на графиках показано направление регулировки расхода жидкости. Анализ результатов измерений показывает, что движение пленки этанола в области точки контакта неустойчиво и зависит от многих случайных факторов {рис. 5.11,й, ВОД 1). Так, кри- области точки контакта на- Рис. 5.12. Распределение толщины плёнки жид- бЛЮДЭЛОСЬ (с небольшим ГИСтере- кости по сечению колонны при С = 1,5-1(г2 м/с зисом) только при относительно и Ку= 7,7-Ю"2 м/с; донный склон (1), потолоч- больших расходах этанола. В диа- ный склон {2}, центр ребра (3), ложбина (4), точ- ПЭЗОне С/. = (0,25 - 1,2)-10-2 м/с об- ки контакта (5). ластъ точки контакта оставалась сухой. На «донном» склоне ячейки (ВОД 3) во всех экспериментах наблюдалось увеличение толщины пленки до 1,1 ± 0,3 мм пропорционально росту расхода этанола в колонне. На горбе за отверстием (ВОД 2) наблюдалась очень тонкая пленка (не более 0,05 - 0,2 мм) во всем диапазоне расходов этанола. Увеличение скорости газа в колонне приводит к понижению интенсивности пульсаций толщины пленки этанола по всей ячейке и незначительному уменьшению толщины пленки на донном склоне. Дальнейшее увеличение скорости газа в колонне (рис. 5.11,6) привело к стабилизации толщины пленки в области точки контакта пластин для различных сборок пакета и для различных направлений регулировок расхода этанола. Внутри ячейки произошло перераспределение жидкой фазы, а в области точки контакта пластин - стабилизация толщины пленки. Сходные результаты по стабилизации течения получены и в случае воды. Тем не менее, отметим, что течение воды представляло собой преимущественно ривулетное течение, а гистерезис толщины плёнки жидкости был более выраженным, чем в случае этанола. В заключение отметим, что на рис. 5.8 - 5.10 представлены результаты измерений при уменьшении расхода, как более стабильные. Распределение толщины пленки этанола в поперечном сечении колонны, расположенном также в середине второго пакета пластин, показано на рис. 5.12 для Сі - 1,5-Ю"2 м/с и Kv= 8-Ю" м/с. Здесь xcoi - поперечная координата, G = 0,1 м - половина расстояния между боковыми стенками колонны. Поперечная координата изменялась при переборке элемента и установке двух смежных пластин с датчи- ками на различных расстояниях от стенки колонны.
