Экспериментальное исследование гидродинамики пленок жидкости с контактной линией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Бобылев Алексей Владимирович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ПЛЕНОК ЖИДКОСТИ С КОНТАКТНОЙ ЛИНИЕЙ

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 2009

003464085

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии Наук, Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск).

Научный руководитель:

д.ф.-м.н., член-корреспондент РАН, Алексеенко Сергей Владимирович

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н., член-корреспондент РАН, Павленко Александр Николаевич

к.ф.-м.н., доцент, Калайдин Евгений Николаевич

Ведущая организация:

Учреждение Российской Академии Наук, Институт теоретической и прикладной механики (ИТПМ) СО РАН, г. Новосибирск

Защита состоится 25 февраля 2009 г. в 9.30, на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 003.053.01 при Институте Теплофизики Сибирского отделения РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТ СО РАН.

Автореферат разослан «¿¿"¿^ ^гУ^^у^-^7 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.ф.-м.н. Кузнецов В.В.

Актуальность темы.

Сложный характер плёночных течений жидкости, широко распространённых в природе и технике, определяется множеством факторов, среди которых - физические свойства жидкости, геометрия течения, наличие контактных линий раздела, касательные напряжения на межфазных поверхностях. Малое термическое сопротивление и большая поверхность контакта плёнок жидкости, при малых удельных расходах жидкости, определяют высокую интенсивность процессов тепло- и массообмена. При этом существенная интенсификация процессов переноса имеет место при наличии волн на поверхности плёнки. Эти качества плёночных течений широко используются в различных технологических процессах и промышленных установках.

Вследствие неустойчивости по отношению к внешним возмущениям, на поверхности плёнок практически всегда реализуется волновое движение. Широкий набор параметров, влияющих на течение, обуславливает сложность построения математических моделей, поэтому обычно теоретическое описание плёночных течений требует дополнительных приближений и допущений, а, соответственно, возникает потребность в подробной экспериментальной информации.

Для развития современных промышленных плёночных аппаратов необходимо детальное описание 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, риву-летные (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.

Цел» 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;

I,

• исследование частотной восприимчивости 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 со направленным потоком газа;

• впервые для исследования структуры распределения скорости внутри регулярных волн на ривулете применён метод Р1У 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 ЬШ проведены полевые измерения локальной толщины волнового ривулета на вертикальной пластине и получены новые данные о структуре возбуждённых волн на поверхности ривулетов для различными 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.

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 согласуются с данными известных экспериментальных и теоретических работ.

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).

На защиту выносятся:

• адаптация методов PIV и LIF к полевым исследованиям волновой структуры трёхмерных плёнок жидкости - ривулетов;

• результаты экспериментального исследования распределения жидкости в элементарной ячейке структурной насадки;

• 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 частотной восприимчивости 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).

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XIII и XIV международных симпозиумах «Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics» (Лиссабон, Португалия, 2006, 2008); XXII международном конгрессе ICTAM (Аделаида, Австралия, 2008); VI международном симпозиуме «International Symposium on Particle Image Velocimetry» (Пасадена, Калифорния, 2005); VI, VIII и IX международных научно-технических конференциях ОМИП (Москва, Россия, 2001, 2005, 2007); VII и IX всероссийских конференциях «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, Россия, 2002, 2006); школе-

семинаре «Физика неравновесных процессов в энергетике» (Новосибирск, Россия 2007).

Публикации.

Результаты работы опубликованы в 16 печатных работах, 5 из которых изданы в журналах рекомендованных ВАК. Список работ приведён в конце автореферата.

Личный вклад автора.

Вклад автора в совместные исследования состоял в подготовке экспериментальных установок, адаптации методов измерений к объектам исследований, проведении экспериментов, обработке и анализе экспериментальных данных, а также подготовке статей и докладов на конференциях. Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, обозначений и списка использованной литературы. Работа содержит 104 страницы, включая 71 рисунок. Список литературы состоит из 132 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования плёночных течений в усложнённых условиях, излагаются цели, научная новизна и практическая ценность работы, описывается структура диссертации.

Первая глава содержит обзор литературы, посвященный исследованию плёночных течений жидкости. В обзоре рассматриваются основополагающие работы по теоретическому и экспериментальному исследованию волновых режимов на поверхности плёнок. Описываются работы по изучению структуры и развития волн, их взаимодействия. Указывается на сильное влияние волн на интенсификацию процессов тепло- и массообмена. Обосновывается необходимость изучения плёночных течений в геометрически сложных условиях, при наличии контактных линий раздела и в условиях обдува газом.

Особое внимание в обзоре уделено существующим исследованиям ривулет-ного течения. Из проведённого анализа работ сделан вывод о недостатке экспериментальных данных по структуре полей скорости в волновом риву-лете, а также по совместному течению волновых ривулетов и потока газа.

Рассмотрено плёночное течение на волнистых поверхностях и в структурных насадках. Указывается на недостаток экспериментальных данных по влиянию режимных параметров на локальное распределение жидкости внутри мелкомасштабных повторяющихся элементов структурных насадок. Отдельно проведён обзор экспериментальных методов исследования плёночных течений.

Вторая глава содержит описание экспериментальных методов исследования плёночных течений, использованных в работе.

Исследование волновых характеристик ривулетов, стекающих по внешней поверхности наклонного цилиндра проводилась теневым методом, схема которого приведена на рис. 1. Идея метода заключается в регистрации границы тени, отбрасываемой слоем жидкости при боковом освещении. На схеме плоскопараллельный пучок света освещает по касательной рабочий участок. Плёнка жидкости отбрасывает тень, которая частично перекрывает пространство между цилиндром и лезвием. Пучок света, проходящий между жидким слоем максимальной толщины в поперечном сечении и лезвием, проецируется объективом на фотодиод. Сигнал с фотодиода поступает на АЦП и программно пересчитывается через калибровочную зависимость в толщину плёнки жидкости. В нашей схеме производилась двухканальная запись толщины ривулета с расстоянием между точками регистрации, равным 14 мм. Это позволило измерять локальные толщины ривулета Н, частоту стационарных волн Р и фазовую скорость регулярных волн С. Локальность метода составила ~ 0,05 мм, а абсолютная погрешность измерений толщины ривулета = 0,04 мм, что, в зависимости от диапазона толщин, соответствует относительной ошибке от 2% до 5%.

К достоинствам метода необходимо отнести бескотактность, высокую точ-

Источпик свега

Конденсор

ОбьеКПШ

Оптическая \

ШСЛЬ 'ч

Короткофокусная лшш '

ность и простоту в исполнении. В то же время, применение теневого метода ограничено для волновых плёночных течений с трёхмерной структурой, когда граница тени волновой плёнки в исследуемой области может быть скрыта соседними сильно искривлёнными гребнями волн.

Рис. 1. Схема теневого метода.

В лаборатории Физических основ энергетических технологий ИТ СО РАН,

для измерения локальной толщины плёнки жидкости в труднодоступном месте, разработан новый метод на основе волоконно-оптических датчиков (ВОД).

Идея метода заключается в освещении отражающей поверхности плёнки расходящимся пучком света и регистрации интенсивности отражённого света на определённом расстоянии от неё.

На рис. 2 представлена схема метода. ВОД состоит из приемного и зондирующего световодов, установленных вплотную друг к другу. Для устранения неоднозначной зависимости сигнала ВОД от толщины пленки жидкости, на торец датчика наклеивается пластинка из оптического стекла. Свет вводится в зондирующий световод, направляется по нему в исследуемую область и выходит из зондирующего световода в виде конуса. Частично отражённый от поверхности пленки, свет попадает в приёмный световод и направляется на ФЭУ. Электронный сигнал с ФЭУ поступает для обработки в персональный компьютер.

Интенсивность отраженного пучка света зависит не только от расстояния до отражающей поверхности, но и от угла ее наклона, поэтому однозначное измерение толщины жидкой пленки возможно только когда отражающая поверхность перпендикулярна оси датчика. Таким образом, ВОД без искажений измеряет толщину возмущенной пленки жидкости только на гребнях и во впадинах волн.

Метод обеспечивает измерение средней по времени толщины пленки и её среднеквадратичное отклонение, а также регистрацию вероятности существования сухих пятен. Отличительные особенности ВОД: высокое быстродействие (10°+10"4 с), малая область осреднения 0,2 - 0,3 мм, высокая точность измерения 1,5 - 2% в случае гладких плёнок и 10% в случае волновых, возможность использования длинной линии связи между объектом и прибором (до 100 м). Применение ВОД особенно перспективно при измерениях толщины возмущенной пленки жидкости на геометрически сложных поверхностях типа рифленых пластин и в местах трудного доступа, в том числе на натурных объектах.

Для измерения поля скорости в волновом ривуле-те, стекающем по внешней

Галогенная лампа

▼

,-ч-г

Световод с отражённым пучком света

Световод с 'зондирующим

пучком света

............... -......

Стеклянная пластинка

Пленка жидкости

\£ ' \

ФЭУ

ы

Компьютер

Гофрированная пластина

части наклонного цилиндра, проведена адаптация метода PIV. Измерения проводились внутри гребней развитых стационарных волн.

Принцип работы измерительной системы PIV основан на определении смещения частиц-маркеров за промежуток времени между двумя вспышками лазерного ножа. Поле скорости в потоке определяется по известным смещениям, с применением корреляционного анализа распределений образов маркеров, интерполяционных процедур и цифровой фильтрации. На рис. 3 представлена схема эксперимента в применении к ривулету по внешней поверхности наклонного цилиндра. Лазерный нож заводился в плёнку жидкости по оси цилиндра снизу, таким образом, чтобы маркеры освещались в плоскости, симметрично рассекающей ривулет в продольном направлении. В качестве источника света использовался двойной импульсный лазер. Камера, работающая в режиме двойного кадра, устанавливалась сбоку, перпендикулярно плоскости лазерного ножа. Размеры снимаемой области составляли = 14,1x14 мм, что соответствовало изображению 1018x1008 пикселей CCD камеры, с разрешением ~ 0,14 мм/пиксель. В качестве маркеров использовались флуоресцентные частицы с длиной волны переизлучения 550 нм и характерными размерами частиц d = 5 -н 15 мкм.

Наличие трёхмерной межфазной поверхности раздела существенно искажает картину расположения маркеров, регистрируемую CCD камерой, и как следствие, реальное поле скоростей. Оценка, проведённая в приближении геометрической оптики, показала необходимость применения специальной

корректирующей процедуры. Дополнительные оптические измерения позволили определить характер указанных искажений.

В плоскости измерений перпендикулярно оси цилиндра были помещены тонкие специально размеченные нити.

fr

шклошшн цилиндр

1

Волновой , /j ривулет

Л

Нож лазера-'

Я

Лазер.......•

Рис. 3. Схема PIV метода.

CCD камера

<---Направление движения волны

= \

ЙШ : : Л: :МЙ№ :

; ь.. . .. ; е маркерами

Рис. 4. Прохождение регулярной волны через маркированные нити.

Использование фотовспышки в качестве осветителя в измерительной системе PIV позволило провести фотографирование нитей в различных стадиях прохождения через них регулярных волн и получить набор изображений для проведения коррекции, рис. 4. Сравнение изображений нитей, находящихся под криволинейной поверхностью волны, с их изображениями, полученными в отсутствие плёнки жидкости, позволило построить матрицы коэффициентов смещения и искажения в изучаемых сечениях волны. С использованием пакета Matlab 6.0, эти матрицы были применены для корректировки измеренных полей скорости. Конечное разрешение скорректированных полей скорости в продольном направлении составило от 110 до 150 мкм/вектор в зависимости от режима течения. Полная максимальная ошибка измерений оценивается в 10% относительно максимальной скорости в продольном направлении. Абсолютные значения поперечной скорости V на порядок ниже значений продольной скорости U. Абсолютная ошибка алгоритма измерения поперечной скорости оценивается в 1,0-10° м/с, что соответствует от 5 до 50% относительно максимальной поперечной скорости.

Представленная методика измерения и процедура коррекции оптических искажений позволяет с высокой точностью исследовать поле скорости внутри плёнок жидкости с толщинами от 1 мм и выше.

Для изучения волновых характеристик ривулетного течения по вертикальной пластине, применялся метод LIF на базе измерительной системы PIV.

При освещении области плёнки, содержащей 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 большой области становится возможной регистрация поля локальных толщин. Схема LIF метода, в применении к волновому ривулету на вертикальной пластине, представлена на рис. 5. Источник и приемник излу-

Волиоиой ривулет

Пластина

Обласп съемки'

Перепаду чешшй и отражённый cue

Фильтр красноп света

Лазер

CCD камера

чения расположены со стороны стекающей плёнки жидкости. Размеры снимаемой области составляли = 9,5x9,5 см, что соответствовало изображению размером 1018x1008 пикселей ССБ-камеры, с разрешением = 0,09 мм/пиксель. Точность определения толщины составляет ~ 10 мкм, а относительная ошибка = 2-3%. К достоинствам метода следует отнести возможность полевых измерений толщины плёнки с высокой локальностью измерений и точностью определения толщины плёнки жидкости. Ограничения метода связаны со сложностью калибровочных процедур и возможными паразитными фокусировками, вызванными сильными возмущениями свободной поверхности плёнок.

Третья глава посвящена исследованию ривулетного течения по внешней поверхности наклонного цилиндра в условиях обдува сонаправленным и противоточным потоком газа (воздуха) и изучению распределения скорости внутри гребней регулярных волн на ривулете.

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. Наложение внешних периодических возмущений (пульсаций расхода жидкости) из определенного диапазона частот приводит к образованию стационарных регулярных волновых режимов на всём протяжении рабочего участка, с частотой волн на поверхности ривулета, равной частоте наложенных колебаний. Семейство волновых режимов включает в себя режимы от практически синусоидальных волн с малой амплитудой до уединённых волн с большой амплитудой.

Эксперименты в условиях обдува ривулета потоком газа имели целью изучение режимов совместного течения жидкости и газа, а также исследование влияния скорости газа на характеристики регулярных волн в области их существования.

Струя

Схема эксперимента изображена на рис. 6. Рабочий участок представлял собой стальной наклонный цилиндр 020 мм, длиной 1 м, углом наклона а к горизонту, который изменялся от 5° до 15°. Цилиндр был помещён в воздушный канал

Рис. 6. Схема эксперимента.

/V

прямоугольного сечения размером 40x34 мм, в котором создавался поток газа с равномерным распределени-

ем скорости. В качестве рабочей жидкости был использован 50% водный раствор глицерина. Расход жидкости <9,, менялся в пределах 0,4 -¡-1,4 мл/с, что соответствовало диапазону чисел Рейнольдса Яе = 7 н- 27,8. Диапазон частот возбуждения волн ^ составил 4 н- 12 Гц. Максимальный расход воздуха составлял ~ 2,5-10"2 м3/с, при этом средняя скорость газа составляла и у = 23 м/с, число Рейнольдса Ле = 30600, что соответствовало развитому турбулентному режиму течения.

Измерения средних значений толщины Н и амплитуды волн А, частоты Р, фазовой скорости регулярных волн С проводились теневым методом. Регистрация ширины ривулета проводилась при помощи метода количественной визуализации с применением цифровой видеокамеры.

В случае противоточного направления течений жидкости и газа, амплитуда волн монотонно возрастает с ростом скорости газа до С/у = 6 м/с, формируется характерная каплевидная форма волн. В диапазоне значений скорости газа от С/у = 6 до 7 м/с регулярность волн нарушается, начинается хаотический унос капель с гребней волн большой амплитуды. С дальнейшим ростом скорости газа до и у = 10 м/с, реализуется режим струйного срыва жидкости.

В условиях сонаправленного движения жидкости и газа, в области малых скоростей газа (С/у < 7 м/с) влияние потока газа выражается в изменении формы волн, слабом падении толщины Н и слабом росте амплитуды А. Фазовая скорость и частота регулярных волн практически не изменяются. По достижении скорости газа С/у = 7 м/с регулярность волн начинает нарушаться. С дальнейшим ростом С/у наблюдается сильное падение средней толщины Я и резкий рост амплитуды волн А вплоть до значения скорости 11у = 12 м/с. При этом, растёт скорость волн, ширина ривулета и, соответственно, площадь смоченной поверхности цилиндра. Разрушение ривулета и переход в форму плёночного течения с высокочастотными волновыми режимами начинается с С/у = 12 - 15 м/с. Дальнейший рост [У у приводит к быстрому падению толщины плёнки и амплитуды волн. По достижении максимальной скорости обдува С/у = 23 м/с по поверхности цилиндра течет тонкая плёнка жидкости с мелкомасштабной рябью на свободной поверхности. Подобное влияние скорости газа характерно для всех углов наклона цилиндра, во всём диапазоне исследованных расходов жидкости и частот возбуждения. На рис. 7 представлена зависимость ширины ривулета Ь от скорости газа для двух углов наклона цилиндра. Данные приведены для максимального и минимального из исследованных расходов жидкости. Из рис. 7 видно, что для каждого расхода жидкости можно выделить две области, где наблюдаются практически линейные зависимости. Для всех расходов и углов наклона ширина ривулета остаётся постоянной до С/у = 10 м/с. Вторая область начи-

Рис. 7. Рост ширины ривулета с увеличением скорости спутного потока газа.

нается со значений скорости 1!\г =12-15 м/с, в которой вплоть до \]у = 23 м/с наблюдается линейный рост ширины,. Для больших углов наклона цилиндра рост ширины ривулета в зависимости от скорости газа происходит более интенсивно. Падение средней толщины ривулета с ростом скорости газа также можно разделить на две области с практически линейной зависимостью. До значения скорости [Д/ = 10 м/с наблюдается слабое падение толщины. В диапазоне скоростей газа от иу= 12 м/с до иу = 23 м/с толщина падает значи-

тельно быстрее и стремится к нулевому значению при 1!у= 20 - 23 м/с.

Характерное влияние потока газа на среднюю амплитуду волн при различных начальных условиях возбуждения приведено на рис. 8. В области регулярных волн (до иу=7 м/с) наибольший рост амплитуды волн наблюдается для режимов с более высокой частотой. В области от (/у = 7 м/с до максимальной скорости обдува средняя амплитуда нерегулярных волн ведёт себя одинаково вне зависимости от начальной частоты возбуждения и зависит только от скорости обдува. Амплитуда волн достигает своего максимума при тех же значениях скорости газа, которые соответствуют на-

2,0-• 1,8: 1,6.....

1,4 1.2 1,00,8-, 0,60,40,2.....

0.....

15=, д, = 1 мл/с, Ке = 17,8 а. .

а 9

о И.

я ' 8

1 л

о

5

Р, Гц

> -4,4 - 6,2

> - 7,8 з -8,8

10

15

20

и,, м/с

Рис. 8. Влияние скорости потока газа на среднюю амплитуду волн на поверхности ривулета при различных начальных частотах возбуждения волн.

400 600 МО , с

К(Х) 1000

200

400 »0 I 10. с

О

1

о

и, = !0 м с

s^^лN^/Лг\^/vv Г,

400 ык> 110'. с

и, - 23 м/с

400 600 1-10'. с

Рис. 9. Влияние скорости воздуха на форму волн и спектральные характеристики сигнала. &=1,4 мл/с, а- 10°, ^ = 5 Гц.

чалу интенсивного роста ширины ривулета.

На рис. 9 представлены характерные волновые профили и их спектрограммы для основных режимов ривулет-ного течения со спут-ным обдувом. Значение спектральной амплитуды А' нормировалось на максимальное значение амплитуды в спектре А V На рис. 9,а приведен профиль регулярных волн на ривулете в отсутствие обдува. Максимум в спектре соответствует частоте регулярных волн, равной частоте возбуждения, (справа, рис. 9,а). С началом обдува, при малых значениях скорости газа (иу < 5 м/с), риву-лет сохраняет форму, волны остаются регулярными. Наблюдается лишь частичная деформация профиля, (рис. 9,6), а в спектре сигнала появляются шумы. С

увеличением скорости газа до £Д/= 10 м/с регулярные волны начинают разрушаться, в спектре регистрируется сильный шум, однако максимум в спектральной области по-прежнему соответствует частоте наложенных колебаний, (рис. 9,е). Начиная со скорости иу= 15 м/с волновая структура существенным образом изменяется с образованием высокочастотных волн большой амплитуды, развивающихся на фоне мелкомасштабной ряби (рис. 9,г). Несмотря на высокий уровень шумов, выделенная спектральная линия по-прежнему присутствует, но уже со сдвигом в сторону более высокой частоты (Т7 ~ 7 Гц). В дальнейшем, этот сдвиг практически линейно растёт со ско-

50-

2 40

30-

20

¡0

к = 0.11

„ягосссР

к = 0,17

~<во<о

¡¿'У-

.^ЙЯп-гшза^'-0

а - 15°, и, - 0 м/с

с-о-к-0,11

о,, мл/с О - 1,4 д - 1,0 О - 0,6 о -0,4

Яс 24 17,8 И,2 7,6

50

: 40-

30-

20 —

-СП?

к-0.13

к - 0,28

гСГа

-пЧ-Р^"

и = 15°, Ъ\ = 7 м/с

8 10 10", м

2 4 6 8 10

к Ю;, м

Рис. 10. Зависимость фазовой скорости С от длины волны для различных расходов жидкости.

ростью потока газа. В области максимальной скорости потока газа, иг= 23 м/с, где наблюдается переход к плёночному течению, частота волн значительно превышает частоту наложенных колебаний (рис. 9,д), а максимум в спектре существенно сдвинут в область высоких частот ~ 40 Гц).

Во всей области, где волны остаются регулярными (до £/|/~ 7 м/с), фазовая скорость и частота волн остаются постоянными и отличаются по значению только для разных частот возбуждения. Наиболее заметное влияние обдува проявляется в частотных зависимостях амплитуд регулярных волн. Как и в отсутствие обдува, с ростом частоты возбуждения наблюдается падение амплитуды волн. Разница проявляется в том, что абсолютные значения амплитуды волн при обдуве заметно больше. Наибольшее влияние обдува проявляется в области малых расходов жидкости, где амплитуда волн почти не зависит от частоты возбуждения, а определяется скоростью потока газа.

Амплитудная зависимость фазовой скорости регулярных волн в отсутствие обдува демонстрирует линейный рост с ростом амплитуды. В диапазоне чисел Рейнольдса Яе < 15 данные лежат практически на одной линии для разных расходов жидкости. При И.е > 15 наблюдается расслоение амплитудных зависимостей фазовой скорости. С ростом скорости обдува амплитудная зависимость фазовой скорости сохраняет линейный характер, но с большим наклоном. Расслоение зависимостей становится менее выраженным и зафиксировано только для наибольшего исследованного расхода жидкости (Г1е = 24).

Зависимости фазовой скорости стационарных волн от длины волны представлены в логарифмических координатах на рис. 10. В таком виде они мо-

Х-10 ', м

Рис. 11. Некорректированное поле скорости с изолиниями в системе отсчёта, движущейся с фазовой скоростью волны. а = 5°, д, = 0,69 мл/с, Яе = 9,9, А = 2,95-Ю"3 м, С = 0,184 м/с, ^=4,1 Гц.

гут быть обобщены прямыми линиями. Эти линии соответствуют степенной зависимости С ~ Лк. В случае отсутствия обдува показатель степени к изменяется немонотонно в зависимости от расхода жидкости и угла наклона цилиндра, рис. 12,а. В условиях обдува значение к становится больше для всех расходов, а в его поведении наблюдается монотонное убывание с ростом расхода жидкости, рис. 12,6.

В отсутствие обдува проведено исследование распределения скорости внутри гребней регулярных волн на ривулете.

Схема эксперимента соответствует рис. 3. В качестве рабочей жидкости был также использован 50% водный раствор глицерина.

Применение метода внешних возмущений потока позволило реализовать режимы с развитыми регулярными волнами и режимы, при которых происходил срыв капель жидкости с гребней больших волн. Поле скорости внутри плёнки жидкости измерялось методом Р1У, а измерения волновых характеристик ривулета проводились с использованием теневого метода.

На рис. 11 представлено поле скорости с изолиниями в солитонообразной волне, в системе отсчёта, движущейся с фазовой скоростью волны, полученное при помощи прямого измерения методом Р1У, без коррекции оптических искажений. То же поле скорости после проведения коррекции (описанной в главе 2) представлено на рис. 12.

Как следует из рисунков, скорректированное и некорректированное поля скорости существенно отличаются друг от друга. Поэтому, при определении полей скорости в трехмерных пленочных течениях с искривленной межфазной границей, всегда следует проводить процедуру коррекции.

8 10 Х-10\ м

Рис. 12. Скорректированное поле скорости с изолиниями в системе отсчёта, движущейся с фазовой скоростью волны. Условия течения, как и на рис. 11.

Представленное на рис. 12 поле скорости в гребне волны соответствует случаю, когда для данных физических свойств жидкости и угла наклона цилиндра а - 5°, реализован режим с развитыми регулярными стационарными волнами наибольшей амплитуды. Из рисунка следует, что в центральной части гребня волны есть характерное вихревое движение с центром вихря, расположенным под гребнем волны на расстоянии - 1,2 мм от поверхности

0,0

1.0

2,0 "

3.0-

положение

ССЧСИШ!

-0,2

^ о (

Л.....Р

1, "-3,8 мм"

2, "-2 мм"

:) - 3, горб волны

- автомодельный параболический профиль для ссчсиня3

-0.1

0,0

0,1 0.2 О, м/с

0.0

1,0-

2,0-

з,о-

положение сечений

-0,2

5. " М.6 мм" V - 6. "-' 6,5 мм" ® - 7, "+11,5 мм" о - 8 . остаточным слон

- - автомодельный параболический профиль

..... - формула

Пуссельта

-0.1

0,0

0.1 0.2

и, м/с

Рис. 13. Условно осреднённые профили продольной компоненты скорости и в различных сечениях волны. Условия течения, как и на рис. 11.

цилиндра. Для этого же режима на рис. 13 приведены скорректированные условно осреднённые профили продольной компоненты скорости U в сечениях переднего склона волны (рис. 13,а) и заднего склона (рис. 13,6) в системе отсчета, связанной с фазовой скоростью волны (С = 0,184 м/с). Под условным осреднением подразумевается процедура отбора исходных изображений волн в одной и той же фазе и последующего осреднения мгновенных полей скорости по 10 и более реализациям. Дополнительная проверка показала, что дальнейшее увеличение количества мгновенных реализаций при осреднении не ведёт к повышению точности в определении компонент скорости. Сплошная линия на рисунке соответствует автомодельному параболическому профилю скорости, построенному по максимальному значению скорости Umax и толщины плёнки жидкости Н.

Штриховые линии представляют расчетные профили по формуле Нус-сельта для гладкой ламинарной плёнки:

где Нт - толщина остаточного слоя.

Из графика следует, что в области максимальных толщин (сечение 3) и в переднем фронте волны (сечения 1 и 2) профили продольной компоненты скорости и являются более заполненным по сравнению с параболическим профилем, однако вблизи границы волны профили начинают изгибаться и стремиться к значению фазовой скорости волны. В области заднего фронта волны и остаточном слое, где значения толщины минимальны (сечения 7 и 8) профиль скорости резко меняется и достаточно хорошо описывается формулой Нуссельта для тонкой ламинарной плёнки.

На рис. 14 представлены профили поперечной (перпендикулярной к оси цилиндра) компоненты скорости V в различных сечениях волны. Профили построены по 10 мгновенным реализациям, для регулярных волн в одной и той же фазе. Отрицательный знак V соответствует направлению к цилиндру. Отметим, что абсолютные значения V на порядок ниже значений £/, соответственно относительная ошибка в измерении V существенно возрастает. Разброс экспериментальных точек даёт представление о полной ошибке в эксперименте.

В работе получены распределения скорости внутри волнового ривулета

для различных режимов течения с регулярными волнами (а = 5° и 10°, различные частоты возбуждения) а также для режима с отрывом капель. Закономерности вихревого движения являются качественно подобными, при

U =

gH2m-sin(a) Y l( Y

о

ей

0 ио

%??

QOw

fß%8 в V3

«О о

о о

© О®

% Po °

ссчение1

-20

-10

0 -4

о

о о

О о о со >0 &

о

<40®

из в

üj

о.

О

,ОЭ I

~ i О „О I ОО О. ] О 6)0

-ои

сичснис 3

4 S

V 10 , м 'с

Рис. 14. Условно осреднённые профили поперечной компоненты скорости V в различных сечениях волны. Условия режима течения, как и на рис. 11.

этом показано, что для волн различной амплитуды абсолютные координаты положения центра вихря являются практически одинаковыми, а относительная поперечная координата растет с уменьшением амплитуды.

Четвертая глава посвящена исследованию волновых ривулетов, стекающих по вертикальной плоскости в случае различных значений контактного угла смачивания и числа Рейнольдса. В ней приведены результаты полевых измерений толщины свободной поверхности ривулетов, полученные с использованием экспериментального метода LIF (Laser Induced Fluorescence).

Выбор рабочих жидкостей с определёнными физическими свойствами и использование покрытий рабочего участка, обеспечивающих слабый гистерезис контактного угла смачивания, позволил организовать стационарные ривулеты со стабильными линиями контакта. При этом физические свойства жидкостей и значения контактных углов смачивания существенно различались.

Работа измерительной системы на основе LIF подробно описана в Главе 2, а схема эксперимента представлена на рис. 5. Рабочий участок представлял

собой вертикальную стеклянную пластину размером 200*650 мм. Для изменения контактного угла смачивания одной и той же рабочей жидкости на пластину наклеивались различные полимерные покрытия. Ривулет был организован при помощи распределительной щели фиксированной толщины с возможностью изменения ширины. В качестве рабочих жидкостей использовались водные растворы глицерина (25%) и этилового спирта (45%). Расходы жидкости составляли от 0,12-Ю"6 до 4,8-Ю"6 м3/с, что соответствовало числам Рейнольдса Яе = 7,2 -ь 45,3 для водного раствора глицерина и Яе = 25,5 ч- 58,1 для водного раствора этилового спирта. Число Рейнольдса определялось как Яе = ЕН3/(3Д где Я - наибольшая толщина гладкого стационарного ривулета в поперечном сечении для данного расхода жидкости. В экспериментах исследовались режимы как со стационарными гладкими ри-вулетами, так и с периодическим внешним возбуждением (модуляцией расхода жидкости). Частота возбуждения изменялась в пределах от 0,5 Гц до 50 Гц.

Ривулетное течение с малым контактным углом рассмотрено на примере ривулетов водного раствора глицерина, стекающих по плоской стеклянной поверхности. На рис. 15,а представлена реконструированная по методу ЬШ, свободная поверхность гладкого стационарного ривулета при малом расходе жидкости. Жирными чёрными линиями на рисунке указаны поперечные сечения ривулета. На рис. 15,6, пунктирными и серыми линиями приведены отдельно те же поперечные сечения. Из рисунка видно, что контактный угол и форма поперечного сечения остаются постоянными вниз по течению. Ха-

Рис. 15. Гладкий ривулет.

а - реконструированная свободная поверхность; б - поперечные сечения в различных частях течения ривулета. I - расчет по модели Carlos et al. 2004. Контактный угол ф= 5°, Q¡= 1,25 мл/с, Re = 22,2.

рактерное значение контактного угла в данном случае ф - 5°. На рис. 15,6 также приведён расчёт формы поперечного сечения гладкого ривулета по известным толщине и контактному углу (линия I), выполненный по модели Carlos et al. (2004). Как следует из рисунка, форма поперечных сечений ривулета хорошо совпадает с теоретическим расчётом.

В зависимости от частоты возбуждения, при одном и том же расходе жидкости, на поверхности ривулетов реализуются различные регулярные волновые режимы. Вблизи нижней границы частотной восприимчивости наблюдаются ступенчатые волны большой амплитуды. В области верхней границы реализуются синусоидальные волны малой амплитуды. В средней части диапазона частотной восприимчивости наблюдаются регулярные волны с хорошо развитым капиллярным предвестником.

В области нижней границы частотной восприимчивости, для всех расходов реализуются волны в форме ступеньки, рис. 16,а. При этом амплитуда волн может превышать толщину остаточного слоя более чем вдвое. Поперечные сечения проведены в области наименьшей (остаточный слой) и наибольшей (гребень волны) толщин, а также в области за гребнем волны. Отдельно поперечные сечения представлены на рис. 16,6. Отметим, что локальная ширина, форма боковых границ ривулета и значение контактного угла на всём протяжении ривулета нечувствительны к фазе проходящих волн.

При определённых значениях частоты возбуждения ширина ривулета может существенно увеличиваться вниз по потоку. На рис. 17,а представлена

a ó

Рис. 16. Ступенчатая волна.

а - реконструированная свободная поверхность; б - поперечные сечения в различных частях волны.

Контактный угол (5=5°, <2ь = 0,2 мл/с, Яе = 7,2, частота наложенных колебаний F = 1 Гц.

-------------'----- -•■

• 15 -10 -5 о « '5

у. мм

Рис. 17. Развитая регулярная волна с капиллярным предвестником.

Контактный угол ф - 5°.

а - реконструированная свободная поверхность;

б - поперечные сечения в верхней части потока.

в - поперечные сечения в нижней части потока.

0,1 - 1.25 мл/с, Ие = 22,2, частота наложенных колебаний ¥ = 23 Гц. высокочастотная регулярная волна с поперечными сечениями на гребнях волн и впадинах перед ними в верхней и нижней областях потока. Соответственно, на рис. 17,6 отдельно представлены профили поперечных сечений в верхней области потока, а на рис. 17,в в нижней. Заметим, что форма боковых границ ривулета по-прежнему нечувствительна к фазе проходящих волн, а контактный угол остаётся постоянным. В то же время хорошо заметно, что ширина ривулета в нижней части течения больше, чем вверх по потоку (соответственно 22 и 18 мм). Подобное явление наблюдается в достаточно узком диапазоне расходов жидкости (1 - 1,5 мл/с) в области существования регулярных волн большой амплитуды и имеет немонотонную зависимость от частоты возбуждения. На рис. 18,а представлена зависимость ширины ривулета в нижней части потока от частоты возбуждения. Ширина гладкого ривулета принята за 100%. Фотографии волновых ривулетов, соответствующие различным значениям частот возбуждения, представлены на рис. 18,6. Как следует из графика и фотографий, ширина ривулета, а, следовательно, и площадь смачивания вниз по потоку возрастает с увеличением

к, %

Рис. 18. Расширение ривулета вниз по потоку.

а - относительная ширина ривулета в нижней части течения в зависимости от частоты наложенных колебаний; б - фотографии волновой поверхности. Контактный угол ф= 5°, = 1,25 мл/с, Яе = 22,2.

Д. мм

0.55 0,5 0.45 0.4 0.35 0.3

0,55 0,5 0,45 0,4 0.35 0,3

0.55 0.5 0,45 0.4 0.35 0,3

К- 5 Гц

Г-" Гц

Г=10 Гц

0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 КО 100 0 20 40 60 «0 100

Р= 12 Гц

г

/

Г-15 Гц

0 20 40 60 КО 100 0 20 40 60 »0 100 0 20 40 60 КО 100

Г=20 Гц

Г-24 Гц

л) 4 я

И-32 Гц

V V

О 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 X, ММ X, ММ X. мм

Рис. 19. Профили регулярных волн для разных частот наложенных колебаний. <2г.= 0,12 мл/с, Яе = 25,5.

частоты и достигает максимума при Т7 = 43 Гц. С дальнейшим ростом частоты возбуждения, ширина ривулета резко

уменьшается и практически падает до начальной ширины гладкого ривулета при частоте ^ = 50 Гц, которая соответствует верхней границе диапазона частотной восприимчивости.

Особенности течения волновых риву-летов в случае большего контактного угла смачивания рассмотрены на примере ривулетов водного

раствора этилового спирта, стекающих по фторопластовому покрытию. При таких условиях контактный угол равен ф = 23°. Отметим, что форма установившихся гладких стационарных ривулетов также хорошо совпадает с теоретическим расчётом. Как и в случае меньшего контактного угла, форма боковых границ ривулета нечувствительна к фазе проходящих волн.

Волновая структура ривулетов в случае большего контактного угла фундаментально отличается от случая малого контактного угла. Для всех частот возбуждения в области восприимчивости наблюдаются развитые волны с отчётливой двугорбой формой.

На рис. 19 для числа Re = 25,5 представлены характерные профили волн в продольном сечении ривулета в слое максимальной толщины. Как видно из рисунка, для всех частот возбуждения волны имеют характерную двугорбую форму с высокочастотным передним и низкочастотным задним горбами. При низких частотах возбуждения амплитуда переднего горба существенно больше амплитуды заднего. Вблизи нижней границы частотной восприимчивости амплитуда переднего горба превышает амплитуду заднего более чем вдвое. С ростом частоты возбуждения амплитуды горбов уменьшаются с разной скоростью и становятся практически равными по значению вблизи верхней границы частотной восприимчивости.

Волны двугорбой формы наблюдаются для всех исследованных расходов, с той лишь разницей, что с увеличением числа Рейнольдса задний горб становится менее выраженным.

В пятой главе описано экспериментальное исследование локального распределения жидкости внутри типичной геометрической ячейки в колонне со структурной насадкой Koch 1Y.

Эксперименты проводились на малой модели ректификационной колонны, заполненной пакетами структурной насадки. В колонне исследовалась гидродинамика противоточного течения жидкости и воздуха в структурной насадке и изучалось локальное распределение жидкости в регулярно повторяющихся элементарных областях-ячейках, образуемых крупными гофрами рифлёных пластин насадки.

В экспериментах тестировалась регулярная насадка Koch 1Y с удельной геометрической поверхностью 435 м2/м3. Она состоит из структурообразующих элементов, заполняющих все сечение колонны. Соседние элементы ориентированы под углом 90° по отношению друг к другу. Каждый элемент состоит из параллельно сложенных гофрированных алюминиевых листов. Гофры нанесены под фиксированным углом ¥ = 45° к вертикальной оси и на смежных листах направлены к противоположным сторонам колонны. Период крупных гофров составлял - L = 1,4-10"2 м. В качестве рабочих жидкостей в экспериментах применялись дистиллированная вода и этанол.

Схема установки и фотография рабочей части колонны, оборудованной трёхслойной насадкой, представлены на рис. 20. Рабочая жидкость перекачивалась насосом из приемного бака в бак постоянного уровня, расположенный на высоте 7 м, рис. 20,а. Из него жидкость через датчик расхода и регулировочный вентиль поступала в распределитель, в котором струйки жидкости формировались соплами. В рабочей части струйки жидкости из распределителя орошали массообменную насадку, состоящую из трёх взаимно развёрнутых по вертикальной оси на 90° пакетов гофрированных пластин. Высота рабочей части составила 2 м, а поперечное сечение - 0,2x0,2 м. Далее жидкость через разделитель - распределитель, сконструированный по принципу гидравлического затвора, и распределительный куб стекала в приемный бак. Воздух из магистрали через фильтр и датчик расхода поступал в разделитель - распределитель и далее в рабочую часть колонны. В рабочей части воздух проходил как по ложбинам, образованным большими гофрами,

Основной бак

Разделительный! куб

,, Жидкое! ь

Зсос Воздух

Бак постоянного уровня

Диафрагма

Регулировочный ' вентиль -

;Сисд ема измерения |перепада давления

:а,5.

Система и на

!! Ввод II поа

Распределитель;:

Рабочая часть

Рис. 20. Экспериментальный гидродинамический стенд: а - детальная схема установки; б - фотография рабочей части с трёхслойной насадкой.

так и через отверстия диаметром 3 мм, равномерно распределенные в гофрированных пластинах. После рабочей части воздух проходил через специальные отверстия в распределительном устройстве и сбрасывался в атмосферу. Сплошными и пунктирными стрелками на рис. 22 показаны направления течения жидкости и воздуха, а также системы измерения локальной толщины плёнки жидкости на основе ВОД.

Расход жидкости изменялся от 5-10"5 м3/с до 6,4-10 4 м3/с, что соответствовало фактору нагрузки по жидкости CL=UL-[pL/(pL - Pv)]0,5 = (1,25 - 16)-10"3 м/с. Фактор нагрузки колонны по воздуху составлял Kv = Uv -[pv/(pL - pv)]0,5 = (6-10 3 - 6-10 ") м/с, что соответствовало расходу воздуха от 6-Ю"3 до 6-10"2 м3/с. Здесь UL и Uv - приведенные к сечению S колонны скорости жидкости и воздуха, pL, pv - плотности жидкости и воздуха. Отношение массовых расходов фаз (mv/ mL) составляло от 1,5-10"2 до 1,5.

Измерительная система состояла из 4-х волоконно-оптических датчиков отражательного типа, работа которых описана в Главе 2, рис. 2. На рис. 21 показана фотография гофрированной пластины Koch 1Y, с установленными на уровне вершин мелкой горизонтальной текстуры четырьмя датчиками. Датчики устанавливались в ложбине, на ребре и склонах больших гофров. Измерения средней по времени локальной толщины пленки жидкости S, среднеквадратичного отклонения толщины а, а также вероятности наличия пленки жидкости или сухого пятна Рт, проводились в реальном времени по электронному сигналу ВОД с учетом статической калибровки каждого датчика.

Поле течения жидкости и газа внутри пакетов из регулярных пластин можно разделить на одинаковые геометрические ячейки, ключевыми элементами которых являются геометрия гофров, а также точки контакта пластин и отверстия. На рис. 22, как пример, представлена схема типичной геометрической ячейки, образуемой наложением двух гофрированных пластин с расположением датчиков и точкой контакта пластин между датчиками на ребре большого гофра. В зависимости от сборки пакета положение точки контакта изменяется.

Механизм распределения жидкости в ячейке был качественно рассмотрен на примере краевой ячейки доступной для прямого наблюдения при орошении одиночной струей этанола элемента из 10 гофрированных листов Koch 1Y. Визуальные наблюдения показали, что в области каждой точки контакта на ребрах гофрированных пластин жидкость образует два смежных мениска, толщина пленки в которых максимальна, но не одинакова. Нижний «потолочный» мениск больше верхнего «донного» мениска из-за перетекания жидкости вниз под действием силы тяжести. Жидкость из верхнего мениска под действием эффекта Коанда, в основном, стекает по боковой поверхности, образуя третий мениск во внутренней области двугранного угла гофра.

Незначительная часть жидкости перетекает по ребру. Можно предположить, что подобный механизм перераспределения жидкости имеет место в каждой точке контакта гофрированных пластин внутри каждого элемента.

Измерения средней толщины пленки 8, ее среднеквадратичного отклонения а и вероятности наличия жидкости на гофрированных пластинах (Р,„,) проведены внутри ячейки, расположенной в центральной области рабочей части колонны, оснащенной тремя пакетами гофрированных пластин, то есть в геометрической середине второго пакета. Результаты измерений на ребре ячейки показаны на рис. 23 (К у - 8-Ю"3 м/с) для двух расходов жидкости. Здесь Хттп -безразмерное расстояние вдоль ребра между точками контакта пластин. В качестве масштаба по оси X выбран шаг между ребрами пластины Л, то есть Хтеап = Ж. Координаты точки измерения на ребре изменялись путем перемещения смежной пластины при одной и той же пластине с приклеенным ВОД.

При малом расходе жидкости (рис. 23,а, С[_ = 5-103 м/с) в центральной зоне ячейки ребро сухое, «потолочный» мениск (Хтеап - 0,22) немного больше «донного» мениска (Хтеап -0,78), а интенсивность пульсаций о (рис. 23,6) практически равна нулю. Профиль вероятности наличия жидкой пленки Рт, на ребре (рис. 23,е) имеет форму траншеи. В области точек контакта пластин жидкость в

Рис. 21. Фотография гофрированной пластины Koch 1Y с четырьмя встроенными заподлицо с поверхностью волоконно-оптическими датчиками.

Рис. 22. Схема расположения датчиков внутри элементарной ячейки и положение точки контакта.

.4,0 -2.0-

2 1.0

0-

0

0,5 -

0,4-

0,3 -

о ГР -

п

0,1-

0 -

0

100-г

«0

(.0 -

С-' 40-

20

о-

К. < \ а ч ..... о.) \—• - 2

0 0.2 04 0,6 0^8 1,0

/ЧзГ б ч

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0' • °\о ---, , , ^ ° . / « 1 1

Рис. 23. Распределение плёнки Рис. 24. Распределение плёнки

этанола на ребре. Ку= 8-10"3 м/с; этанола на ребре. Ку= 3,5-10"2 м/с; = 5-10"3 м/с (1),

-л-2 ,

О, = 5-10 м/с (1),

О. = 1,5-10^ м/с (2). СЛ = 1,5-Ю"2 м/с (2).

я - толщина плёнки в центральной ячейке; б - среднеквадратичные пульсации толщины плёнки; в - вероятность наличия жидкости.

менисках есть всегда с вероятностью 100%, а толщина пленки максимальна. Увеличение расхода жидкости (рис. 23,а, О, = 1,5-10"2 м/с) приводит к небольшому росту менисков, а также к появлению тонкой пленки жидкости в центральной зоне ребра. Профиль сг(рис. 23,6) имеет два максимума, которые расположены около краев менисков. Интенсивность а около «донного» мениска почти в два раза больше, чем у «потолочного». При этом вероятность появления пленки жидкости Рт, в центральной зоне ребра увеличивается до = 55% (рис. 23,в).

Увеличение расхода газа до Ку - 3,5-10"2 м/с приводит к небольшому перераспределению жидкости внутри ячейки и некоторому выравниванию менисков, а также к появлению тонкой пленки в центральной зоне ребра при О. = 5-10"3 м/с (рис. 24,я). Интенсивность с по всей длине ребра при этом выравнивается, а амплитуда уменьшается почти в два раза (рис. 24,6). Поток газа оказывает стабилизирующее действие на пленку жидкости. Таким образом, распределение жидкости на ребре качественно соответствует результатам визуальных исследований внутри краевой ячейки.

Зависимость распределений 8 и сг от режимных параметров в ложбине и на боковых поверхностях гофра в центральной ячейке показана на рис. 25 для Ку = 910"3 м/с. На рис. 25,а видно, что при увеличении расхода жидкости наблюдается 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 С/. = 7,5-10"3 м/с. Увеличение С£ до 1,5-10"2 м/с приводит к росту а до = (5 - 6)-10"4 м на боковых поверхностях гофра, а в ложбине - до = 5-10° м (рис. 25,6). Увеличение расхода газа в колонне до Ку = 2,7-Ю"2 м/с приводит к росту 5в ложбине ячейки на (10 - 20)% (рис. 26,а). На «потолочной» поверхности гофра толщина пленки также увеличивается на 10 - 20%, а на «донной» поверхности гофра она незначительно уменьшается (рис. 26,а). Интенсивность о на боковых поверхностях гофра уменьшается почти в два раза, то есть наблюдается эффект стабилизации поверхности пленки встречным потоком воздуха (рис. 26,6).

Распределение толщины пленки этанола в поперечном сечении колонны, исследовалось в середине второго пакета пластин. Характерные толщины

2,0-,

К,- 910 м с

2,0-

К.ч":2.7 10"; м/с а

---4 , 1

............О- 2 о ~А

........ о- 3 ..Ок-

___а-""*" "О-

___*~хГ"

$ О

С, то. М/с

Рис. 25. Зависимость толщины плёнки - а и среднеквадратичной пульсации толщины плёнки жид-

,-3,

С,;10',.м'с

Рис. 26. Зависимость толщины плёнки - а и среднеквадратичной пульсации толщины плёнки жидкости - б от С1 при Ку= 2,7-10"2 м/с. Ложбина (1), донный склон (2), потолочный склон (3).

кости - 6 от С£ при Ку- 9-10' м/с.

пленок жидкости в области точек контакта пластин, а также в центральной зоне ребра практически мало изменяются в поперечном сечении колонны. В ложбине и на боковых поверхностях гофра, толщины пленок жидкости несколько уменьшаются в пристенной зоне колонны.

В заключении представлены основные результаты работы:

• Изучено влияние скорости и направления газового потока на характеристики течения ривулета, стекающего по внешней поверхности наклонного цилиндра в условиях внешнего периодического возмущения. Для сонаправленного потока найдены диапазоны скоростей газа, в которых происходит существенная перестройка течения от выраженного ручейкового (ривулетного) к пленочному. Для низких скоростей газового потока увеличение скорости газа ведет к росту амплитуды регулярных возбужденных волн на ривулете как для сонаправленного, так и для противонаправленного потока. Для сонаправленного потока определены значения скорости газа, выше которых амплитуда волн начинает падать. При этом, спектр флуктуаций толщины пленки в ростом скорости газа трансформируется от линейчатого, соответствующего ламинарным режимам с регулярными волнами, до практически сплошного с доминированием нерегулярных низкоамплитудных волн более высокой частоты.

• При помощи метода Р1У впервые измерены поля скорости внутри волнового ривулета. Разработана методика коррекции данных эксперимента с учетом кривизны межфазной поверхности. Зарегистрировано вихревое движение в волне, определены его количественные характеристики для различных условий, продемонстрировано существенное отклонение профилей скорости в некоторых областях ривулетного течения от общепринятой параболической аппроксимации. Показано, что интенсивность вихревого движения уменьшается с уменьшением амплитуды волн.

• При помощи метода лазерно-индуцированной флуоресценции впервые получена детальная информация о характеристиках и волновой структуре ривулетов, стекающих по вертикальной пластине в условиях внешнего периодического возмущения. Проанализировано влияние краевого угла смачивания на характеристики ривулетного течения. В зависимости от параметров эксперимента зарегистрированы различные волновые режимы -от синусоидальных низкоамплитудных волн до развитых, близких к уединенным волнам с капиллярным предвестником и двугорбых волновых режимов.

• С применением волоконно-оптической методики измерений локальной толщины пленки жидкости изучены различные режимы совместного течения жидкости и газа в модели ректификационной колонны с регулярной

насадкой. Зарегистрировано существенное перераспределение жидкости в элементарной геометрической ячейке внутри насадки в зависимости от расходов жидкости и газа. Измерены средние и пульсационные толщины пленок в различных областях ячейки.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Алексеенко C.B., Бобылев A.B., Евсеев А.Р., Карстен В.М., Маркович Д.М., Тарасов Б.В., 2003. Измерение толщины плёнки жидкости волоконно-оптическим датчиком // ПТЭ. - № 2. С. 130 - 134.

2. Алексеенко C.B., Маркович Д.М., Евсеев А.Р., Бобылев A.B., Карстен В.М., Тарасов Б.В., 2007. Экспериментальное исследование распределения жидкости в колонне со структурными насадками // ТОХТ. — Т. 41, № 4. - С. 417— 423.

3. Бобылев A.B. Измерение поля скорости в плёнке жидкости, стекающей по наклонному цилиндру // Труды IX всероссийской школы-конф. «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, 17-20 октября, 2006. - С. 20 - 21.

4. Бобылев А.В, Исследование волнового движения ривулета по наружной поверхности наклонного цилиндра в условиях спутного потока воздуха // Труды VII всероссийской конф. «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», 23 - 26 апреля, Новосибирск, 2002. - С. 103 -105.

5. Бобылев А.В, Антипин В.А. Измерение поля скорости в плёнке жидкости, стекающей по наклонному цилиндру. // Труды VIII конф. «Оптические методы исследования потоков», 28 июня - 1 июля, Москва, 2005. - С. 412 -415.

6. Бобылев А.В, Гузанов В.В. Волновое течение ривулетов по вертикальной пластине // Труды V межд. научной школы-конф. «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», 24 сентября - 30 сентября, Алушта, 2007. - С. 53 - 57.

7. Бобылев А.В, Гузанов В.В. Волновое течение ривулетов по вертикальной пластине // Труды научной школы-семинара. «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии», 8 октября - 12 октября, Новосибирск, 2007. - С. 27 - 28.

8. Бобылев А.В, Гузанов В.В., Харламов С.М., Маркович Д.М., Антипин В.А. Волновое течение ривулетов по вертикальной пластине // Труды IX межд. науч.-техн. конф. «Оптические методы исследования потоков», 26 - 29 июня, Москва, 2007. - С. 354 - 357.

9. Бобылев A.B., Евсеев А.Р. Методика измерения толщины пленки жидкости волоконно-оптическим датчиком // Труды VI межд. науч.-техн. конф. «Оптические методы исследования потоков», 27 - 29 июля, Москва, 2001. - С. 440 - 443.

10. Alekseenko S.V., Antipin V.A., Bobylev A.V., Markovich D.M. PIV measurements of the velocity field in the liquid film flowing down inclined cylinder // 6th Int. Symp. on Particle Image Velocimetry, September 21-23, Pasadena, California, 2005.

11. Alekseenko S.V., Antipin V.A., Bobylev A.V., Markovich D.M. Application of PIV to Velocity Measurements in the Liquid Film Flowing Down Inclined Cylinder // CD Proc. of 13-th International Symposium on Applications of Laser Techniques To Fluid Mechanics. Lisbon, Portugal, 26-29 June, 2006.12 p.

12. Alekseenko S.V., Antipin V.A., Bobylev A.V., Markovich D.M., 2007. Application of PIV to velocity measurements in a liquid film flowing down an inclined cylinder // Exp. Fluids. - Vol. 43, № 2 - 3. - P. 197 - 207.

13. Alekseenko S.V., Markovich D.M., Evseev A.R., Bobylev A.V., Tarasov B.V., Karsten V.M., 2008. Experimental investigations of liquid distribution over the structured packing // AIChE J. - Vol. 54, № 6. - P. 1424 - 1430.

14. Alekseenko S.V., Bobylev A.V., Kharlamov S.M., Markovich D.M. Frequency susceptibility of rivulets flowing down vertical plate // Proc. of 14th Int. Symp. on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, 7-10 July, 2008. - 8 p.

15. Alekseenko S.V., Bobylev A.V., Guzanov V.V., Kharlamov S.M., Markovich D.M. 3-D waves on liquid films and rivulets flowing down vertical plate // Proc. XXII Int. Cong. Theoretical and Applied Mech., Adelaide, Australia, 25 - 29 August, 2008. - ISBN 978-09805142-1-6. - № 12145.

16. Alekseenko S.V., Bobylev A.V., Markovich D.M. 2008. Rivulet flow on the outer surface of an inclined cylinder // J. Eng. Thermophys. - Vol. 17., № 4. - P. 259 -272.

Подписано к печати 19 января 2009 г. Заказ №5 Формат 60/84/16. Объем 1 уч.-изд. л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Институте теплофизики СО РАН 630090, Новосибирск, пр. Акад. Лаврентьева, 1

Введение.

S Актуальность работы.—

S Цели работы.:.

S Научная новизна.

S Практическое значение.—

S Достоверность результатов.

S На защиту выносятся.—

•S Апробация работы.

S Публикации.—

•S Личный вклад автора.—

• S Объём работы.

Глава 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.

Глава 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 измереиий методом PIV.

2.3.5. Достоинства и ограничения метода PIV.•—

2.4. Метод лазерно индуцированной флуоресценции, LIF.

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.

2.4.3. Источники погрешности метода LIF.

2.4.4. Достоинства и ограничения метода LIF.—

Применимость использованных в работе экспериментальных методов исследования.

Глава 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.

3.1.3. Режимы течения. Сонаправленный и нротивоточный режимы течения.

3.1.4. Влияние скорости газа на средние характеристики течения.

3.1.5. Влияние скорости газа на форму волн.

3.1.6. Регулярные волны в условиях обдува сонаправлепным потоком газа. 51 3.2. Измерения поля скорости в волновом ривулете.

3.2.1. Распределение скорости в гребнях регулярных волн.—

3.2.2. Условия эксперимента и режимные параметры.

3.2.3. Влияние коррекции оптических искажений на распределение поля скорости.

3.2.4. Профили продольной компоненты скорости.

3.2.5. Профили поперечной компоненты скорости.

3.2.6. Мгновенное поле скорости в волне большой амплитуды.—

3.2.7. Положение центра вихря в волне.

3.2.8. Поле скорости в случае большего угла наклона.

S Основные результаты исследований ривулетного течения на наклонном цилиндре.

Глава 4. Волновое движение ривулетов, стекающих по вертикальной пластине.

4.1. Стационарный ривулет на вертикальной плоскости.—

4.2. Экспериментальная установка и условия эксперимента.

4.3. Гладкий ривулет. Случай малого контактного угла.

4.4. Режимные карты ривулетного течения.

4.5. Виды волн на ривулете. Случай малого контактного угла.

4.6. Развитые регулярные волны.

4.7. Расширение ривулстов вниз по потоку с изменением частоты возбуждения.

4.8. Виды волн на ривулете. Случай большого контактного угла.

•S Результаты исследования ривулетного течения на плоской пластине в случаях малого и большого контактных углов.

Глава 5. Распределение жидкости в колонне со структурными насадками.

5.1. Малая модель ректификационной колонны.—

5.2. Параметры структурной насадки.—

5.3. Схема и работа гидродинамического стенда.

5.4. Измерительная система.

5.5. Карта режимов.—

5.6. Перепад давления в колонне.

5.7. Регулярные геометрические ячейки.

5.8. Течение плёнки этанола в краевой ячейке.

5.9. Измерения в центральной области колонны.—

5.10. Влияние расходных характеристик на распределение плёнки на ребре в элементарной геометрической ячейке.

5.11. Влияние расходных характеристик на распределение плёнки в ложбине, на «донном» и «потолочном» склонах в элементарной. геометрической ячейке.

5.12. Гистерезис толщины плёнки в области точек контакта пластин.

5.13. Распределение толщины в поперечном сечении колонны.

•S Основные результаты исследования распределения плёнки жидкости на структурной насадке.

S Актуальность работы:

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 пленки. 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 разви5 тию естественных и возбужденных 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, ривулегные (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.

- S 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.

S 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.

S 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). 6

S Достоверность результатов: основывается на использовании отработанных методов экспериментальных исследований и на тщательных калибровках новых методов измерения, проводимых отдельно па 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.

S На защиту выносятся:

- адаптация методов PIV и LIF к полевым исследованиям волновой структуры 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.

S Апробация работы:

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XIII и XTV международных симпозиумах «Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics» (Лиссабон, Португалия, 2006, 2008); XXII международном конгрессе ICTAM (Аделаида, Австралия, 2008); VI международном симпозиуме «International Symposium on Particle Image Velocimetry» (Пасадена, Калифорния, 2005); VI, VIII и IX международных научно-технических конференциях ОМИП (Москва, Россия, 2001, 2005, 2007); VII и IX всероссийских конференциях «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, Россия, 2002, 2006); школе-семинаре «Физика неравновесных процессов в энергетике» (Новосибирск, Россия 2007).

S Публикации:

Результаты работы опубликованы в 16 печатных работах, 5 из которых изданы в журналах рекомендованных ВАК.

S Личный вклад автора:

Данная работа выполнена в 1998 - 2008 гг. в лаборатории физических основ энергетических технологий (зав. лаб. д.ф.-м.н. Д.М. Маркович) Института теплофизики СО РАН. Постановка задач исследований осуществлена диссертантом совместно с научным руководителем директором Института теплофизики чл.-корр. РАН С.В. Алексеенко и Д.М. Марковичем. Вклад автора в совместные исследования состоял в подготовке экспериментальных установок, адаптации методов измерений к объектам исследований, проведении экспериментов, обработке и анализе экспериментальных данных Доработка гидродинамического стенда «Малая модель ректификационной колонны» и разработка метода измерения на основе волоконно-оптических датчиков проведены диссертантом под руководством к.ф.-м.н. А.Р.Евсеева. Проведение экспериментов по исследованию ривулетного течения осуществлялась автором совместно с к.т.н В.А. Антипиным и В.В. Гузано-вым. Автор благодарит С.М. Харламова за предоставленную полевую методику измерения толщины плёнок жидкости на основе LIF по измерению локальной толщины пленки жидкости. Обработка, обсуждение и анализ экспериментальных данных, а также подготовке статей и докладов на конференциях осуществлялась автором совместно с С.М. Харламовым и Д.М. Марковичем. Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.

S Объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, обозначений и списка использованной литературы. Работа содержит 104 страницы, включая 71 рисунок. Список литературы состоит из 132 наименований.

Основные результаты исследования распределения плёнки жидкости на структурной насадке.

•S Для измерения толщины пленки жидкости на гофрированной пластине внутри колонны с регулярной упаковкой впервые применён метод на основе ВОД. ^ Показано, что внутри типичной геометрической ячейки, максимальная толщина пленки жидкости находится в области точек контакта пластин, через которые происходит перераспределение жидкости по гофрированной поверхности. S Увеличение расхода жидкости приводит к росту толщины пленки, в основном, в ложбине и на боковых поверхностях гофра внутри ячейки. Увеличение расхода газа в колонне приводит к небольшому перераспределению жидкости внутри ячейки и уменьшению пульсаций толщины пленки в 1,5-2 раза на ребре и боковых поверхностях гофра.

S При малой скорости газа в колонне течение пленки в области точки контакта пластин неустойчиво при всех исследованных расходах этанола и зависит от многих случайных факторов.

S В поперечном сечении толщина плёнки жидкости в области точек контакта пластин и на ребре остается почти постоянной, а в ложбине и на боковых поверхностях гофра она незначительно уменьшается в пристенной области колонны. S Режим срыва пленок с гофрированных пластин встречным потоком воздуха до полного захлебывания сопровождается резким увеличением перепада давления в колонне.

Заключение

S Изучено влияние скорости и направления газового потока на характеристики течения ривулета, стекающего по внешней поверхности наклонного цилиндра в условиях внешнего периодического возмущения. Для сопаправленного потока найдены диапазоны скоростей газа, в которых происходит существенная перестройка течения от выраженного ручейкового (ривулетного) к пленочному. Для низких скоростей газового потока увеличение скорости газа ведет к росту амплитуды регулярных возбужденных волн на ривулете как для сонаправленного, так и для противоточного потока. Для сопаправленного потока определены значения скорости газа, выше которых амплитуда воли начинает падать. При этом, спектр флукгуаций толщины пленки в ростом скорости газа трансформируется от линейчатого, соответствующего ламинарным режимам с регулярными волнами до практически сплошного с доминированием нерегулярных низкоамплитудных волн более высокой частоты. S При помощи метода PIV впервые измерены поля скорости внутри волнового ривулета. Разработана методика коррекции данных эксперимента с учетом кривизны межфазной поверхности. Зарегистрировано вихревое движение в волне, определены его количественные характеристики для различных условий, продемонстрировано существенное отклонение профилей скорости в некоторых областях ривулетного течения от общепринятой параболической аппроксимации. Показано, что интенсивность вихревого движения уменьшается с уменьшением амплитуды волн.

S При помощи метода лазерно-индуцированной флуоресценции впервые получена детальная информация о характеристиках и волновой структуре ривулетов, стекающих по вертикальной пластине в условиях внешнего периодического возмущения. Проанализировано влияние краевого угла смачивания на характеристики ривулетного течения. В зависимости от параметров эксперимента зарегистрированы различные волновые режимы - от синусоидальных низкоамплитудных волн до развитых, близких к уединенным волнам с капиллярным предвестником и двугорбых волновых режимов. •S С применением волоконно-оптической методики измерений локальной толщины пленки жидкости, изучены различные режимы совместного течения жидкости и газа в модели ректификационной колонны с регулярной насадкой. Зарегистрировано существенц^е перераспределение жидкости в элементарной геометрической ячейке внутри насадки в зависимости от расходов жидкости и газа. Измерены средние и пульсационные толщины пленок в различных областях ячейки.

Список использованных обозначений:

А - амплитуда волн на ривулете, м; А'- спектральная амплитуда, м;

А 'о- максимальное значение спектральной амплитуды, м; b — ширина волнового ривулета на наклонном цилиндре, м; bo — асимптотическое значение ширины гладкого ривулета на наклонном цилиндре, м;

С - фазовая скорость регулярных волн на ривулете, м/с; С(х,у) - передаточная функция в формуле (1);

Cl - модифицированная среднерасходная скорость жидкости в колонне, м/с; D(x,y) -темновой уровень камеры в формуле (1); d- размер люминесцентных частиц, мкм; dxij, ф-у - корректирующих приращения координат по осям Xи Y, м; F— частота стационарных регулярных волн на ривулете, Гц; f=Uy(pv)°'5 - фактор, м/с-(кг/м3)0,5;

G — половина расстояния между боковыми стенками колонны, м; у g - гравитационная постоянная, м/с ;

Н - наибольшая локальная толщина ривулета на наклонном цилиндре и вертикальной плоскости в поперечном сечении, м;

Hres - наибольшая толщина остаточного слоя жидкости в поперечном сечении ривулета на наклонном цилиндре, м; h - локальная толщина ривулета на плоской пластине, м; ho - толщина плёнки по Нуссельту, м;

I- яркость изображения маркера, полученного в результате преломления на межо фазной поверхности, Вт/м ;

1о-яркость изображения маркера, без преломляющей поверхности, Вт/м2;

J— сигнал с волоконно-оптического датчика, при статической калибровке, В;

Jcam(x,y) - яркость изображения в формуле (1), полученного CCD камерой;

Jmax ~ максимальное значение сигнала с ВОД, при статической калибровке, В;

Je-сигнал ВОД, при угловой калибровке, В;

Jo - сигнал ВОД, при угловой калибровке,(в - 0°) В; j - электронный сигнал ВОД при измерении толщины плёнки, В; jmax(t) - массив максимумов электронного сигнала ВОД, В;

Ку- модифицированная среднерасходная скорость газа, м/с; к - степенной индекс в зависимости С ~ kxjj, куу — коэффициенты искажения по осям X и Y, м; к„тР(х,у) - коэффициент отражения от дальней границы в формуле (1);

L - шаг между ребрами пластины структурной насадки; м; — расстояние до отражающей поверхности в статическая калибровке двухволо-конного датчика, мм; ту, пц — массовые расходы газа и жидкости, кг/с; п — число экстремумов в сигнале с ВОД за заданное время измерения; Pwet - вероятности наличия жидкости на гофрированных пластинах, %; АР - нормированный перепад давления в колонне, Па/м; Qi - расход жидкости, м3/с; Qy - расход газа, м3/с;

Qdim - безразмерный расход ривулетного течения;

R — радиус цилиндра, м;

Re - число Рейнольдса;

Recr - критическое число Рсйнольдса;

Rdim - безразмерный радиус цилиндра, м; г - радиус окружности при аппроксимации нижней части поперечного ссчения ривулета, мм;

S— площадь поперечного сечения колонны, м2; s - калибровочный коэффициент; t - время, с;

U — компонента скорости внутри плёнки жидкости по оси X, м;

Uy - значение компоненты скорректированного вектора скорости по осиХв точке с координатой (Xij, Yij), м;

Umax - максимальное значение компоненты скорости по оси X внутри плёнки жидкости, м;

Ul - среднерасходная скорость жидкости, м/с; Uv - среднерасходная скорость газа, м/с; иу - значение компоненты некорректированного вектора скорости по оси Хв точке с координатой (Ху,уу), м/с; ио - среднерасходная скорость, м/с;

V- компонента скорости по оси 7 внутри плёнки жидкости, м/с;

Vy - значение компоненты скорректированного вектора скорости по оси 7 в точке с координатой (Ху, Yy), м/с;

Vij - значение компоненты некорректированного вектора скорости по оси Y в точке с координатой у у), м/с;

X— координата вдоль оси наклонного цилиндра, м;

Ху - значение координаты скорректированного вектора скорости по оси X, м; Хтеап - безразмерное расстояние вдоль ребра между точками контакта пластин; х - продольная координата ривулетного течения на вертикальной пластине, м; Xcoi - поперечная координата в колонне, м;

Ху - значение координаты некорректированного вектора скорости по оси X, м; Y - координата перпендикулярная оси^и направленная вниз от цилиндра, м; Yij - значение координаты скорректированного вектора скорости по оси Y, м; Yvtx - значение координаты центра вихря, м; у — поперечная координата ривулетного течения на вертикальной пластине, м; ytj - значение координаты некорректированного вектора скорости по оси Y, м; а - угол наклона цилиндра, градус; у3- коэффициент поглощения на единицу толщины в формуле (1), м"1; у- безразмерное число Капицы; д— средняя по времени толщина пленки жидкости, м; 8, - локальное значение толщины пленки жидкости, м; б1-угол наклона отражающей поверхности, при угловой калибровке ВОД, градус; Ясар - капиллярная постоянная, м; Я - длина волны на ривулете, м;

- динамическая вязкость, Па-с; V— кинематическая вязкость, м /с; pi, pv- плотности жидкости и воздуха, кг/м ; а - среднеквадратичное отклонение толщины пленки жидкости, м; oz - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; ф - значение контактного угла смачивания, градус; !Р-угол наклона гофров структурной насадки, градус.

1. Алсксеенко С.В., Антипин В.А., Гузанов В.В., Маркович Д.М., Харламов С.М., 2005. Стационарные уединенные трехмерные волны на вертикально стекающей пленке жидкости // Доклады Академии Наук. Т. 405, № 2, - С. 193 - 195.

2. Алексеенко С.В., Бобылев А.В., Евсеев А.Р., Маркович Д.М., Карстен В.М., Тарасов Б.В., 2003. Измерение толщины пленки жидкости волоконно-оптическим датчиком //ПТЭ. -№ 2, С. 130-134.

3. Алексеенко С.В., Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г., Христофоров В.В., 1973. Трение при стекании плёнки по вертикальной стенке // Инж. -физ. журн. Т. 24, № 5. -С. 824-830.

4. Зайцев Д.В., Кабов О.А., Чеверда В.В., Буфетов Н.С., 2004. Влияние волнообразования и краевого угла смачивания на термокапиллярпый разрыв стекающей пленки жидкости // Теплофизика высоких температур. Т. 42, №3, — С. 449^155.

5. Максутов Д.Д., 1934. Теневые методы исследования оптических систем. М.; Л.; ОНТИ.

6. Моисеев В.В., Потапов В.Т., 1988. Исследование стабильности волоконно-оптического датчика отражательного типа // Радиотехника. № 8, - С. 37^10.

7. Капица П.Л., 1948. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости // ЖЭТФ. -Т. 18, вып. 1,-С. 3-28.

8. Капица П.Л., Капица С.П., 1949. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости//ЖЭТФ. Т. 19, вып. 2.-С. 105-120.

9. Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г., Алексеенко С.В., Орлов В.В., 1977. Мгновенный профиль скорости в волновой плёнке жидкости // Инж. -физ. журн. Т. 33, № 3. -С. 399^105.

10. Накоряков В.Е., Бурдуков А.П., Кашинский О.Н., Гешев П.И., 1986. Электродиффузионный метод исследования локальной структуры турбулентных течений. Новосибирск: ИТ СО АН СССР.

11. Окоси Т., Окамото К., Оцу М., Нисихара X., Кюма К., Хататэ К., 1990. Волоконно-оптические датчики. Под ред. Т.Окоси: Перевод с японского Г.Н.Горбунова, (Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние).

12. Покусаев Б.Г., Малков В.А, Алексеенко С.В., Беседин С.М., 1978. Экспериментальное исследование работы датчика проводимости в случае волнового течения плёнки жидкости: Отчёт ИТ СО АН СССР. Новосибирск.

13. Семенов П.А. 1944. Течение жидкости в тонких слоях // ЖТФ. Т. 14, № 7-8. -С. 427^137.14. . Шпигель Л., Майер В., 1994. Характеристики работы насадки «Меллапак» различных типов // Химическое и нефтяное машиностроение. — № 3. С. 16.

14. Adomeit P., Renz U., 2000. Hydrodynamics of three-dimensional waves in laminar falling films // Int. J. Multiphase Flow. Vol. 26. - P. 1183-1208.

15. Alekseenko S.V., Antipin V.A., Bobylev A.V., Markovich D.M., 2007. Application of PIV to velocity measurements in a liquid film flowing down an inclined cylinder // Exp. Fluids. Vol. 43, № 2 - 3. - P. 197-207.

16. Alekseenko S.V., Antipin V.A., Guzanov V.V., Kharlamov S.M., Markovich D.M., 2005. Three-dimensional solitary waves on falling liquid film at low Reynolds numbers // Phys. Fluids. Vol. 17, 121704.

17. Alekseenko S.V., Antipin V.A., Kulikov A.S., Markovich D.M., 1999. Rivulet flow of liquids with different physical properties // Proc. of 2nd Int. Symp. on Two-phase Flow Modelling and Experimentation, Pisa, Italy.

18. Alekseenko S.V., Geshev P.I., Kuibin P.A., 1995. Liquid flow on inclined cylinders // Proc. of the 2nd Int. Conf. on Multiphase Flow, Kyoto, Japan.

19. Alekseenko S.V., Markovich D.M., Evseev A.R., el al., 2003. Measurement of the liquid film thickness by the fiber-optic sensor // Instr. Exp. Tech. Vol. 46, № 2, - P. 260-264.

20. Alekseenko S.V., Markovich D.M., Shtork S.I., 1996a. Wave flow of rivulets on the outer surface of an inclined cylinder // Phys. Fluids. Vol. 8. - P. 3288-3299.

21. Alekseenko S.V., Nakoryakov V.E., Pokusaev B.G., 1985. Wave formation on vertically liquid film // AIChE J. Vol. 32. - P. 1446-1460.

22. Alekseenko S.V., Nakoryakov V.E., Pokusaev B.G., 1994. Wave flow of liquid films. Begell House, New York.

23. Alekseenko S.V., Nakoryakov V.E., Pokusaev B.G., 1996b. Wave effect on the transfer processes in liquid films // Chem. Eng. Comm. Vol. 141(142). - P. 359-385.

24. Behrens M., Saraber P.P., Yamsen H., Olujic Z., 2001. Performance characteristics of a monolith-likc structured packing // Chem. Biochem. Eng. Q. Vol. 15, № 2. - P. 4957.

25. Benjamin, T.B., 1957. Wave formation in laminar flow down an inclined plane // J. Fluid Mech. Vol. 2. - P. 554-574.

26. Binnie A.M., 1957. Experiments on the onset of wave formation on a film of water flowing down a vertical plate // J. Fluid Mech. Vol. 2. - P. 551-553.

27. Binnie A.M., 1959. Instability in a slightly inclined water channel // J. Fluid Mech. -Vol. 5.-P. 561-570.

28. Birnir В., Mertens K., Putkaradze V., Vorobieff P., 2008. Meandering fluid streams in the presence of flow-rate fluctuations // Phys. Review Letters. Vol. 101. - P. 114501.

29. Brunazzi E., Paglianti A., 1997. Mechanistic pressure drop model for columns containing structured packings // AIChE J. Vol. 43. - P. 317-327.

30. Carey V.P., 1992. Liquid-vapor phase-change phenomena // Hemisphere Publ. Co., London. -P. 95.

31. Carlos A., Perazzo A., Gratton J., 2004. Navier-Stokes solutions for parallel flow in rivulets on an inclined plane // J. Fluid Mech. Vol. 507, - P. 367-379.

32. Chang H.-C., Demekhin E.A., 2002. Complex wave dynamics on thin films. Elsevier, Amsterdam.

33. Chu K.J., Dukler A.E., 1974. Studies of the substrate and its wave structure // AIChE J. Vol. 20, № 4. - P. 695-706.

34. Chu K.J., Dukler A.E., 1975. Structure of large waves and their resistance to gas films // AIChE J. Vol. 21, № 3. - P. 583-593.

35. Cohen L.S., Hanratty T.J., 1968. Effect of waves at a gas-liquid interface on a turbulent air flow // J. Fluid Mech. Vol. 31. - P. 467-479.

36. Craik A.D.D., 1966. Wind generated waves in thin liquid films // J. Fluid Mech. -Vol. 26.-P. 369-392.

37. Daerr A., Le Grand N., Limat L., Stone H.A., 2003. Drops sliding along an inclinedthplane: Experiments versus 3D hydrodynamical model // Proc. of the 5 European Coating Symp. Polytype converting, Friburg, 2004, edited by P. M. Schweizer.

38. Dani O., Ghezzehei T.A., 2000. Dripping into subterranean cavities from unsaturated fractures under evaporative conditions // Water Resources Research. Vol. 36, № 2. -P.381-393.

39. Eres M.H., Schwartz L.W., Roy R.V., 2000. Fingering phenomena for driven coating films. Phys. Fluids. Vol. 12, № 6. - P. 1278-1295.97

40. Geshev P.I., Kuibin P.A., 1995. Waves on rivulet flow along inclined cylinder // Proc. of the 9lh International Conference on Numerical Methods in Laminar and Turbulent Flow, Atlanta, USA.

41. Goshawk J.A., Waters N.D., Staples E.J., Rcnnie G.K., 1996. The use of interferome-try of measure flow characteristics of an oscillating draining film // J. of Non-Newtonian Fluid Mech. Vol. 64, № 1. - P. 1-17.

42. Grand-Piteira N. Le„ Daerr A., Limat L., 2006. Meandering rivulets on a plane: a simple balance between inertia and capillarity? // Phys. Rev. Lett. Vol. 96. - P. 254503.

43. Guguchkin V.V., Demekhin E.A., Kalugin G.N., Markovich E.E., Pikin V.G., 1975. Wavy motion of liquid films flowing concurrently with a gas stream // Fluid Dynamics. -Vol. 10, №4.-P. 689-692.

44. Gunn D.I., Al-Saffar H.B.S., 1993. Liquid distribution in packed column // Chem. Eng. Sci. Vol. 48, № 22. - P. 3845-3854.

45. Hanratty T.J., Engen J.M., 1957. Interaction between a turbulent air stream and moving water surface // AIChE J. Vol. 3. - P. 299-304.

46. Hirt C.W., 1998. Simulating the wetting and drying of shallow flows // Flow Science. -TN54.

47. Hewitt G.F., King R.D., Lovegrove P.C., 1964a. Liquid film and pressure drop studies //Chem. Proc. Eng. -Vol. 45. P. 191.

48. Holland D., Duffy B.R., Wilson S.K., 2001. Thermocapillary effects on a thin viscous rivulet draining steadily down a uniformly heated or cooled slowly varying substrate // J. Fluid Mech.-Vol. 441,-P. 195-221.

49. Inada F., Drew D.A., Lahey R.T. Jr., 2004. An analytical study on interfacial wave structure between the liquid film and gas core in a vertical tube // Int. J. Multiphase Flow. Vol. 30. - P. 827-851.

50. Indeikina A., Veretennikov I., Chang H.C., 1997. Drop fall-off from pendent rivulets // J. Fluid Mech. Vol. 338. - P. 173-201.

51. Ishigai S., Nakanisi S., Koizumi Т., Oyabi Z., 1972. Hydrodynamics and heat transfer of vertical falling liquid films // Bull. JSME. Vol. 15, № 83. - P. 594-602.

52. Jensen A., Pedersen G.K., 2004. Optimization of acceleration measurements using PIV // Measurement Science Technology. Vol. 15. - P. 2275-2283.

53. Johnson M.F.G., Schluter R.A., Bankoff S.G., 1997. Fluorescent imaging system for global measurement of liquid film thickness and dynamic contact angle in free surface flows // Rev. Sci. Instrum. Vol. 68, №. 11. - P. 4097-4102.

54. Johnson M.F.G., Schluter R.A., Miksis M.J., Bankoff S.G., 1999. Experimental study of rivulet formation on an inclined plate by fluorescent imaging // J. Fluid Mech. Vol. 394.-P. 339-354.

55. Kabov O.A., Gatapova E.Ya., Zaitsev D.V., 2008. Cooling technique based on evaporation of thin and ultra thin liquid films // 11th Int. Conf. on Thermal and Thermomech. Phenomena in Electronic Systems, Orlando, Florida.

56. Kalbassi M.A., Zone I., 2002. Large industrial-scale demonstration of structured packing distillation system // Int. Cong, on Process Industries, Achem, America, Mexico City.

57. Kim H., Kim J., Kang B.H., 2004. Meandering instability of a rivulet // J. Fluid. Mech. Vol. 498. - P. 245-256.

58. Kister H.Z., 1992. Distillation design. McGrew-Hill, NY.62. ' Krohn D.A., 1986. Fiber optic and laser sensor IV, SPIE. Vol. 718. - P. 2-11.

59. Kuibin P.A., 1996. An asymptotic description of the rivulet flow along an inclined cylinder // J. Eng. Thermophys. Vol. 6. - P. 33—45.

60. Lilleleht L.U., Hanratty T.J., 1961a. Relation of interfacial shear stress to the wave height for concurrent air-water flow // AIChE J. Vol. 7. - P. 548-560.

61. Lilleleht L.U., Hanratty T.J., 1961b. Measurement of interfacial structure for co-current air-water flow // J. Fluid Mech. Vol. 11. - P. 65-81.

62. Liu J., Gollub J.P., 1994. Solitary wave dynamics of film flows // Phys. Fluids. Vol. 6, №5.-P. 1702-1712.

63. Liu J., Paul J. D., Gollub J.P., 1993. Measurement of the primary instabilities of film flow // J. Fluid Mech. Vol. 250. - P. 69-101.

64. Liu J., Schneider J.В., Gollub J.P., 1995. Three-dimensional instabilities of film flow // Phys. Fluids. Vol.7, № 1. - P. 55-67.

65. Marchot P., Toye D., Pclsser A-M. et al., 2001. Liquid distribution images on structured packing by X-ray computed tomography // AIChE J. Vol. 47. - P. 1471-1476.

66. Marshall B.W., Tiederman W.G., 1972. A capacitance depth gauge for thin liquid films // Rev. Sci. Instrum. Vol.43. - P. 344-547.

67. Marshall E., 1975. Das messen charakteristischer eigenschaften von rieselfilmen // Chem. Ing. Tech. Vol. 47, № 21. - P. 879-882.

68. Marshall J.S., Ettema R., 2004. Rivulet dynamics with variable gravity and wind shear // Final report to NASA office of biological and physical research. 98 NRA Grant NAG3-2368. IIHR Technical Report № 440.

69. Meier W., Hunkeler R., Stocker W.D., 1979, Sulzer Mellapak-eine neue, Geordnete packung fur stoffaustausch-apparate // Chem. Ing. Tech. Vol. 51. - P. 119.

70. Mitchell J.E., Hanratty T.J., 1966. A study of turbulence at a wall using an electrochemical wall shear stress meter // J. Fluid Mech. Vol. 26. - P. 199-221.

71. Miyara A., 1999. Numerical analysis of flow dynamics and heat transfer of falling liquid films with interfacial waves // Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 35. - P. 298306.

72. Miyara A., 2000. Numerical analysis on heat transfer enhancement by waves on falling liquid film // J. .Thermal Science. Vol. 9, № 3. - P. 236-242.

73. Moran K., Inumaru J., Kawaji M., 2002. Instantaneous hydrodynamics of a laminar wavy liquid film // Int. J. Multiphase Flow. Vol. 28. - P. 731-755.

74. Myers T.G., Liang H.X., Wetton В., 2004. The stability and flow of a rivulet driven by interfacial shear and gravity // Int. J. Nonlinear Mechanics. Vol. 39. - P. 12391249.

75. Nakaya C., 1989. Waves on a viscous fluid film down a vertical wall // Phys. Fluids. -Vol. 1, № 7. P. 1143-1154.

76. Nakoryakov, V.E., Pokusaev B.G., Alekseenko, S.V., 1976. Stationary two-dimensional rolling waves on a vertical film of fluid // Inzh.-Fiz. Zh. Vol. 30, №. 5. — P.780-785.

77. Nakoryakov V.E., Pokusaev E.G., Alekseenko S.V., Orlov V.V., 1977. Instantaneous velocity profile in a wavy liquid film // Inzh.-Fiz. Zh. Vol. 33, № 3. - P. 399^405.

78. Nakoryakov V.E., Pokusaev E.G., Khristoforov V.V., Alekseenko S.V., 1974. Experimental investigation of film on vertical wall // Inzh.-Fiz. Zh. — Vol. 27, №. 3. P. 397-401.

79. Nakoryakov V.E., Pokusaev E.G., Radev K.B., 1987. Waves and their effect on con-vective gas diffusion in falling films // Zhurn. Mekh. Tekh. Fiz. №. 3. P. 95-104.

80. Nicolaiewsky E.M.A., Fair J.R., 1999a. Liquid flow over textured surfaces. I. Contact Angles // Ind. Eng. Chem. Res. Vol. 38. - P. 284-291.

81. Nicolaiewsky E.M.A., Tavares F.W., Rajagopal K., Fair J.R., 1999b. Liquid film flow and area generation in structured packing columns // Powder Tech. Vol. 104. - P. 8494.

82. Nozhat W.M., 1997. Measurement of liquid-film thickness by laser interferometry // Appl. Opt. Vol. 36. - P. 7864-7869.

83. Nusselt W., 1916. Die oberflachenkondensation des wasserdampfes // Zeitschrift VDI. Bd 60. - P. 541-546.

84. Olujic Z., Kamerbeek A.B. de Graauw J., 1999. A corrugation geometry based model for efficiency of structured distillation packing // Chem. Eng. Processing. Vol. 38. - P. 683-695.

85. Olujic Z., Seibert A.F. Fair J.R., 2000. Influence of corrugation geometry on the performance of structured packings: an experimental study // Chem. Eng. Processing. -Vol. 39.-P. 335-342.

86. Pavlenko A.N., Pecherkin N.I., Chekhovich V.Yu., et al., 2005. Large industrial-scale model of structured packing distillation column // J. Eng. Thermophysics. Vol. 13, №1.-P. 1-18.

87. Pavlenko A.N., Pecherkin N.I., Zhukov V.E., et al., 2006. Separation of mixtures and liquid distribution over the structured packing of the large-scale model of a distillation column // Theoretical Foundations of Chem. Eng. Vol. 40, № 4. - P. 329-338.

88. Park C.D., Nosoko Т., 2003. Three-dimensional wave dynamics on a falling film and associated mass transfer // AlChE J. Vol. 49, № 11. - P. 2715-2727.

89. Portalsky S., 1964. Velocities in film flow of liquids on vertical plates // Chem. Eng. Sci. Vol. 19.-P. 575-582.

90. Portalsky S., Clegg A.J., 1972. An experimental study of falling liquid films // Chem. Eng. Sci.-Vol. 27.-P. 1257-1265.

91. Raffel M., Willert C., Kompenhans J., 1998. Particle image velocimetry. A practical guide. Springer.

92. Rastaturin A.; Demekhin E.; Kalaidin E.; 2006. Optimal regimes of heat-mass transfer in a falling film // J. Non-equilibrium Thermodyn. Vol. 31, № 1. - P. 1-10.

93. Rossum J.J., 1959. Experimental investigation of horizontal film flow // Chem. Eng. Sci.-Vol. 11.-P. 35-52.

94. Roy R.P., Jain S., 1989. A study of thin water film flow down an inclined plate without and with countercurrent air flow // Exp. Fluids. Vol. 7. - P. 318-328.

95. Schmuki P., Laso M., 1990. On the stability of rivulet flow // J. Fluid Mech. Vol. 215.-P. 125-143.

96. Seno K., Ishioka Т., Harata A., Hatano Y., 2001. Photoionization of rhodamine dyes adsorbed at the aqueous solution surfaces investigated by synchrotron radiation // Anal. Sci.-Vol. 17.-P. il 177—i 1179.

97. Shedd T.A., Newell T.A., 2001. The development of thin film PIV for the study of the liquid film distribute'ion in annular flow // Proc. of 4lh Int. Conf. on Multiphase Flow, New Orleans, Louisiana, USA.

98. Smith T.N., Tait R.W.F., 1966. Interfacial shear stress and momentum transfer in horizontal gas-liquid flow // Chem. Eng. Sci. Vol. 21. - P. 63-73.

99. Snoeijer J.H., Rio E., Le Grand N., Limat L., 2005. Self-similar flow and contact line geometry at the rear of cornered drops // Phys. Fluids. Vol. 17. - P. 072101-072112.

100. Spiegel L., Meier W., 2002. Distillation column with structured packing in the next decade // Proc. of 7th Int. Conf. on Distillation and Absorption, Baden-Baden, Germany.

101. Stichlmair J.L., Fair J.R., 1998. Distillation, principles and practices. Wiley-VCH, NY.

102. Strigle R.F. Jr., 1994. Packed tower design and applications: Random and structured packing. Gulf Publ. Co. Houston, TX.

103. Stainthorp F.P., Allen J.M., 1965. The development of ripples on the surface of liquid film flowing inside a vertical tube // Trans. Inst. Chen Eng. Vol. 43. - P. T85-T91.

104. Stainthorp F.P., Batt R.S.W., 1967. The effect of co-current and counter-current air flow on the wave properties of falling liquid films // Trans. Inst. Chem. Eng. Vol. 45. -P. T372-T382.

105. Tailby S.R., Portalski S., 1960. The hydrodynamics of liquids films flowing on vertical surface // Trans. Instn. Chem. Eng. Vol. 38. - P. 324-330.

106. Tihon J., Tovchigrechko V., Sobolik V., Wein O., 2003. Electrodiffiision detection of the near-wall flow reversal in liquid films at the regime of solitary waves // J. Applied Electrochem. Vol. 33. - P. 577-587.

107. Trifonov Yu.Ya., 2004. Viscous film flowing over the corrugated surfaces // J. Applied Mech. Tech. Phys. Vol. 45, № 3 - P. 389-400.

108. Trifonov Yu.Ya., 2007. Stability of a viscous liquid film flowing down a periodic surface//Int. J. Multiphase flow.-Vol. 33, № 11.-P. 1186-1204.

109. Towell G.D., Rothfeld L.B., 1966. Hydrodynamics of rivulet flow // AIChE J. Vol. 12.-P. 972-980.

110. Vazquez-Una G., Chenlo-Romero F., Sanchez-Barral M., Perez-Munuzuri V., 2000. Mass transfer enhancement due to surface wave formation at a horizontal gas-liquid interface//Chem. Eng. Sci. Vol. 55, №23.-P. 5851-5856.

111. Vlachogiannis M., Bontozoglou V., 2002. Experiments on laminar film flow along a periodic wall // J. Fluid Mech. Vol. 457. - P. 133-156.

112. Vlachogiannis M., Bontozoglou. V., 2001. Observations of solitary wave dynamics of film flows. //J. Fluid Mech. Vol. 435. - P. 191-215.

113. Volosatov V.A., 1988. Hand-Book on Electrochemical and Electrophysical Methods of Treatment. Mashinostroenie, Leningrad. P. 719.

114. Wang C.Y., 2005. Low Reynolds number film flow down a three-dimensional bumpy surface Tran. ASME. Vol. 127. - P. 1122-1127.

115. Wierschem A., Scholle M., Aksel N., 2002. Comparison of different theoretical approaches to experiments on film flow down an inclined wavy channel // Exp. Fluids. -Vol. 33. -P. 429-442.

116. Wierschem A., Scholle M., Aksel N., 2003. Vortices in film flow over strongly undulated bottom profiles at low Reynolds numbers // Phys. Fluids. Vol. 15. - P. 426-435.

117. Wierschem A., Aksel N., 2004. Influence of inertia on eddies created in films creeping over strongly undulated substrates // Phys. Fluids. Vol. 16. - P. 4566-4574.

118. Wilkes J.O., Nedderman P., 1962. The measurement of velocities in thin films of liquid//Chem. Eng. Sci.-Vol. 17. P. 177-187.

119. Wilson S.K., Duffy B.R., 1998. On the gravity-driven draining of a rivulet of viscous fluid down a slowly varying substrate with variation transverse to the direction of flow // Phys. Fluids Vol. 10. - P. 13-22.

120. Wilson S.K., Duffy B.R., 2002a. On the gravity-driven draining of a rivulet of fluid with temperature-dependent viscosity down a uniformly heated or cooled substrate // J. Engineering Mathematics. Vol. 42. - P. 359-372.

121. Wilson S.K., Duffy B.R., 2002b. A slender rivulet of a power-low fluid driven by either gravity or a constant shear stress at the free surface // Q. J. Mech. Appl. Math. -Vol. 55.-P. 385-408.

122. Wilson S.K., Duffy B.R., 2005. A rivulet of perfectly wetting fluid draining steadily down a slowly varying substrate // J. Applied Mathematics. Vol. 70. - P. 293-322.

123. Yih C.-S., 1963. Stability of liquid flow down an inclined plane // Phys. Fluids. Vol. 6, №3.-P. 321-334.

124. Yoshimura P.N., Nosoko Т., Nagata Т., 1996. Enhancement of mass transfer into a falling laminar liquid film by two-dimensional surface waves some experimental observations and modeling // Chem. Eng. Sci. - Vol. 51, № 8. - P. 1231-1240.

125. Zaitsev D.V., Kabov O.A., Evseev A.R., 2003. Measurement of locally heated liquid film thickness by a double-fiber optical probe // Experiments Fluids. Vol. 34. - P. 748-754.

126. Zhao-L., Cerro R.L., 1992. Experimental characterization of viscous film flows over complex surfaces // Int. J. Multiphase Flow. Vol. 18, № 4. - P. 495-516.