Введение к работе
Актуальность работы. Конденсация пара это явление фазового перехода из газообразного состояния в жидкое или твердое, которое часто встречается в повседневной жизни и технике. В большинстве используемых теплообменных устройств реализуется пленочная конденсация пара, поэтому всестороннее исследование пленочной конденсации пара представляется важным. Снижение толщины пленки конденсата в конденсаторах пара позволяет интенсифицировать процесс теплообмена. При использовании оребренных поверхностей в конденсаторах пара интенсификация достигается как за счет увеличения поверхности теплообмена, так и за счет действия сил поверхностного натяжения. Математическое моделирование пленочной конденсации пара с учетом капиллярных эффектов позволяет найти оптимальные формы поверхностей, обеспечивающие высокую интенсивность теплообмена, а также снизить материалоемкость и размеры конденсаторов пара.
Одной из проблем космической энергетики является сброс избыточного тепла со спутниковой аппаратуры в окружающее пространство. Для отвода тепла используются двухфазные испарительно-конденсационные системы. Известно, что длина гладкого конденсатора, работающего в условиях микрогравитации должна быть в несколько раз больше, чем конденсатора такой же производительности, работающего в наземных условиях. Поэтому создание высокоэффективных конденсаторов пара является важной задачей для производства систем термостабилизации космических аппаратов.
Пленки жидкости широко используются в технологических процессах, так как обеспечивают высокую интенсивность тепло-массопереноса и значительную поверхность контакта фаз при малых удельных расходах жидкости. Пленочные течения специально создаются в различных аппаратах химической технологии, пищевой, фармацевтической промышленности, в криогенной индустрии. Тонкие пленки жидкости могут также возникать при движении двухфазных потоков в каналах испарительно-конденсационных систем. Отличительной чертой жидких пленок являются: существенное влияние капиллярных эффектов, неустойчивость течений, нелинейность и трехмерность процессов, а также многообразие форм свободной границы раздела. Существенное влияние на движение тонких пленок производит эффект Марангони, вызванный градиентом температуры или градиентом концентрации компонентов на границе раздела жидкость-газ. До настоящего времени расчетные модели большинства пленочных процессов в неизотермических условиях не учитывают всех факторов и требуют дальнейшего развития и экспериментальной проверки. Особое значение имеют экспериментальные данные по микроструктуре пленочных течений, позволяющие проводить прямую проверку гипотез, сформулированных при построении теоретических моделей.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование пленочной конденсации пара на поверхностях сложной формы и исследование неизотермических пленочных течений с локальным нагревом.
Основные задачи исследования.
Создание модели пленочной конденсации пара на поверхностях сложной формы и в каналах.
Оптимизация форм ребер для пленочной конденсации пара на основе разработанной теоретической модели.
Моделирование пленочной конденсации пара в продольно оребренной трубе с учетом процесса теплопроводности в стенке трубы.
Экспериментальное исследование пленочной конденсации в круглой трубе и проверка разработанной теоретической модели.
Исследование течения локально-нагреваемой пленки жидкости в условиях существенного влияния термокапиллярной конвекции на основе информации о распределении температуры на поверхности жидкости и численных расчетов.
Моделирование термокапиллярной конвекции в локально-нагреваемом горизонтальном слое жидкости.
Научная новизна.
-
Впервые разработана трехмерная нестационарная модель пленочной конденсации пара на криволинейной поверхности, учитывающая массовые силы, поверхностное натяжение и трение на поверхности пленки конденсата. Данная модель обобщает известные ранее модели пленочной конденсации пара. Выведено эволюционное уравнение для толщины слоя конденсата. Разработаны численные алгоритмы для решения эволюционного уравнения.
-
Впервые выполнена оптимизация формы криволинейных двухмерных ребер для пленочной конденсации чистого пара. Решена задача вариационного исчисления для нахождения функции кривизны кривой определяющей профиль оптимального ребра. Получены новые формы оптимальных с точки зрения интенсивности конденсации ребер с конечной кривизной на вершине ребра.
-
Выполнено моделирование пленочной конденсации пара в продольно оребренной трубе с учетом процесса теплопроводности в стенке трубы. Показано, что величина коэффициента теплопроводности материала трубы существенно влияет на интенсивность конденсации.
-
Впервые рассчитаны времена установления стационарного режима конденсации в круглых трубках при внезапном переходе от земной гравитации к микрогравитации и наоборот. Выполнено экспериментальное исследование конденсации пара этанола в круглой трубе при различных углах наклона трубы к горизонту. Численное моделирование пленочной конденсации чистого пара в круглой трубе с использованием разработанной модели дает хорошее согласие с результатами экспериментов. Получено, что зависимость величины коэффициента теплоотдачи от угла наклона имеет максимум при 20-30.
-
Создана методика термографического исследования гравитационно стекающих жидких пленок. Разработано специальное программное
обеспечение для обработки термограмм, полученных на различных ИК камерах.
-
Впервые систематически исследованы термокапиллярные эффекты в пленках жидкости с локальным нагревом со стороны подложки с использованием метода инфракрасной термографии. Измерены длина волны и амплитуда деформаций мелкомасштабных структур при выходе теплового пограничного слоя на поверхность стекающей пленки жидкости.
-
Впервые выполнены численные расчеты плоскопараллельного стационарного движения пленки жидкости по пластине с локальным источником тепла в приближении тонкого слоя с учетом термокапиллярного эффекта и температурной зависимости вязкости, а также перераспределения теплового потока в нагревательном элементе. Показано, что в горизонтальном вале жидкости при образовании регулярных структур имеет место термокапиллярное возвратное течение.
-
Обнаружено, что при импульсном локальном нагреве горизонтального слоя жидкости в начальный момент времени вокруг термокапиллярного углубления формируется вал жидкости. Вал наблюдается и в расчетах и в экспериментах и объясняется вытеснением жидкости из центра на периферию.
Практическая ценность заключается в том, что разработанная модель конденсации пара на криволинейных поверхностях может быть использована при проектировании высокоэффективных конденсаторов пара для космических и наземных аппаратов. Разработанная методика измерения температуры поверхности жидких пленок позволяет получать качественно новую информацию при исследовании процессов в неизотермических пленках жидкости. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы при создании и апробации новых методов расчета двухфазных течений.
Достоверность полученных результатов полученных данных
подтверждена сравнением с экспериментальными и теоретическими результатами других авторов, оценками величин ошибок измерений, постановками специальных тестовых экспериментов, использованием специально разработанных методик экспериментов, а также публикацией результатов исследований в рецензируемых научных журналах, в том числе рекомендуемых ВАК для публикации материалов докторских диссертаций.
Автор защищает:
-
Трехмерную нестационарную модель пленочной конденсации пара на криволинейных поверхностях учитывающую капиллярные эффекты.
-
Алгоритмы численных решений уравнений описывающих нестационарную пленочную конденсации пара на криволинейных поверхностях.
-
Результаты оптимизации формы ребер для интенсификации пленочной конденсации пара с учетом процесса теплопроводности в материале ребра.
-
Результаты расчетов пленочной конденсации пара движущегося в каналах круглого сечения и в каналах с продольным оребрением.
-
Методику термографического исследования неизотермических пленок жидкости.
-
Результаты экспериментальных и теоретических исследований локально-нагреваемых неизотермических пленок жидкости.
-
Результаты расчетов термокапиллярных течений и деформаций локально-нагреваемого горизонтального слоя жидкости.
Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором. Автору принадлежат: теоретическая модель, алгоритмы расчета, результаты численных расчетов, анализ результатов расчетов при исследовании пленочной конденсации пара на криволинейных поверхностях, постановка задачи, аналитические и численные решения при оптимизации форм ребер для пленочной конденсации пара. В работе по экспериментальному и теоретическому исследованию конденсации пара в каналах автору принадлежат результаты численных расчетов и сравнение с экспериментальными данными. В работах по термографическому исследованию неизотермических пленок жидкости автору принадлежат методика термографического исследования, результаты экспериментов и их анализ. Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на многочисленных международных и российских конференциях и семинарах: общеинститутские семинары ИТ СО РАН, ИГиЛ СО РАН, ИМ СО РАН; научные семинары отдела физической гидродинамики ИТ СО РАН; Всероссийская конференция с участием зарубежных ученых "Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения", г. Бийск, 2005, 2008, 2011; II, III, V Российская национальная конференция по теплообмену (Москва, МЭИ, 1998, 2002; 2010 гг.); XXVIII-XXIX Всероссийская конференция «Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск, ИТ СО РАН, 2005; 2010 гг.); 1-7 International Symposium on TWO-PHASE SYSTEMS FOR GROUND AND SPACE APPLICATIONS, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.. ELGRA Symposium, Antwerpen , Belgium, 2011; 16th Int. Heat Pipe Conference, Lyon, France, 2012;
Публикации. По теме диссертации опубликованы 44 работы, в том числе 22 - в ведущих отечественных и зарубежных журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций, 22 в сборниках трудов конференций. В публикациях в полной мере отражены основные научные результаты работы. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из пяти глав, заключения и библиографического списка из 163 наименований, включая 25
работ автора. Полный объем работы - 235 страниц, включая 105 рисунков и 2 таблицы.
