Термографическое исследование пленки жидкости стекающей по поверхности с локальным источником тепла тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Термокапиллярные явления в тонких слоях жидкости. Инфракрасная термография, (обзор литературы).

1.1 Динамика гравитационно стекающих жидких пленок.

1.2 Термокапиллярные явления в тонких слоях жидкости

1.3 Приближение тонкого слоя.

1.4 Измерение температурных полей посредством инфракрасной термографии. ■

Глава 2. Методика проведения экспериментов.

2.1 Экспериментальный стенд и рабочий участок.

2.2 Методика измерения температуры поверхности пленки.

2.3 Излучение внутренних слоев жидкости.

2.4 Численное моделирование теплопроводности в нагревательном элементе 38 и теплообмена нагревателя с пленкой.

2.5 Специальные возможности программы обработки термограмм.

Глава 3. Распределение температуры на поверхности локально-нагреваемой стекающей пленки.

4.1 Термограммы поверхности пленки для вертикального положения 51 нагревателя.

4.2 Термограммы поверхности пленки для наклонного положения нагревателя.

4.3 Градиент температуры и касательные напряжения на границе раздела.

Глава 4. Численное моделирование локально нагреваемой стекающей стекающей пленки жидкости при наличии термокапиллярных эффектов.

4.1 Постановка задачи и анализ масштабов.

4.2 Определение толщины пленки и поля скоростей при известном 78 температуре поверхности.

4.3. Расчет температурнсм о поля в пленке при известном поле скоростей.

4.4. Совместный расчет I емпературно! о поля и поля скоростей в пленке.

4.5 Учет температурной зависимое! и вязкое!п.

4.6 Сравнение резулькиов расчета с экспериментальными данными.

Основнь Ли гера гура

Основные обозначения ' -^¿щОТ.хзДО I

Актуальность работы.

Использование тонких пленок жидкости. Тонкие пленки жидкости широко используются в технологических процессах, так как обеспечивают высокую интенсивность тепло-массопереноса и значительную поверхность контакта фаз при малых удельных расходах жидкости, и в ряде случаев незначительные потери давления [Тананайко и Воронцов 1975, Алексеенко Накоряков Покусаев 1992]. Пленочные течения специально создаются в различных аппаратах химической технологии, пищевой, фармацевтической промышленности, в криогенной индустрии. Гравитационно стекающие пленки, например, используются в испарителях низкого давления, применяемых для концентрирования пищевых продуктов, в аппаратах для опреснения морской воды, а также в ректификационных колоннах. Перспективными являются пленочные системы охлаждения электронных компонентов. Тонкие пленки жидкости могут также возникать при движении двухфазных потоков в каналах испарительно-конденсационных систем. Снижение толщины стекающего слоя жидкости позволяет интенсифицировать процесс теплообмена, однако тонкие пленки подвержены разрывам. Свободные от жидкости участки поверхности исключаются из процесса тепло-массообмена, что резко снижает эффективность аппаратов. Чтобы избежать разрывов, в пленочных аппаратах обычно расход жидкости в несколько раз превосходит количество испаряемой жидкости.

Особенности пленочных течений. Часто существенное влияние на движение пленок производит эффект Марангони, вызванный градиентом температуры или градиентом концентрации компонентов на границе раздела жидкость-газ. Отличительной чертой жидких пленок являются: существенное влияние капиллярных эффектов, неустойчивость течений, нелинейность и трехмерность процессов, а также многообразие форм свободной границы раздела. До настоящего времени расчетные модели большинства пленочных процессов в неизотермических условиях не учитывают всех факторов и требуют экспериментальной проверки. Особое значение имеют экспериментальные данные по микроструктуре пленочных течений, позволяющие проводить прямую проверку гипотез, сформулированных при построении теоретических моделей.

В 1994 г. в Институте теплофизики СО РАН д.ф.-.м.н O.A. Кабовым было обнаружено явление формирования пространственной самоорганизующейся структуры в тонкой движущейся под действием гравитации пленке жидкости при ее локальном нагреве со стороны подложки. Структуры представляют собой вал жидкости в области верхней кромки нагревателя, из которого с определенной периодичностью стекают струи жидкости и тонкая пленка между ними. Гипотезу о термокапиллярной природе механизма образования структур было предложено проверить на основании измерений температуры поверхности пленки с помощью инфракрасного сканера.

Инфракрасная термография как метод дистанционного-измерения температуры является наиболее подходящим для исследования температурных полей на поверхности жидких пленок. Метод ИК термографии в экспериментальных исследованиях в последние годы находит все большее применение и бурно развивается. Это па сегодняшний день практически единственный универсальный метод, позволяющий получать мгновенное поле температур на поверхности исследуемого объекта. Анализ большого объема информации, содержащийся в термограммах, требует применения вычислительной техники и разработки специальных алгоритмов.

Цель работы Целью данной работы является получение основных закономерностей течения локально-нагреваемой пленки жидкости в условиях существенного влияния термокапиллярной конвекции на основе информации о распределении температуры на поверхности жидкости и численных расчетов.

Научная новизна работы заключается в том, что автором впервые:

• Создана методика термографического исследования гравитационно стекающих жидких пленок. Разработано специальное программное обеспечение для обработки термограмм, полученных на различных ИК камерах.

• Получены распределения температуры и градиента температур на поверхности стекающей пленки жидкости при локальном нагреве в широком диапазоне режимных параметров эксперимента (толщина пленки, плотность теплового потока, свойства жидкости, угол наклона пластины).

• Прямыми измерениями температурного поля обоснована термокапиллярная природа регулярных подковообразных структур, возникающих на поверхности локальнонагреваемой стекающей пленки жидкости.

• Выполнены численные расчеты плоскопараллельного стационарного движения пленки жидкости по пластине с локальным источником тепла в приближении тонкого слоя с учетом термокапиллярного эффекта и температурной зависимости вязкости, а также перераспределения теплового потока в нагревательном элементе. Показано, что в горизонтальном вале жидкости при образовании регулярны структур имеет место термокапиллярное возвратное течение.

• На основе численных расчетов установлено, что величина максимальной деформации свободной поверхности жидкости в момент возникновение возвратного течения составляет 30-40% начальной толщины пленки, чтс подтверждается имеющимися экспериментальными данными.

Достоверность полученных данных подтверждена оценкой величины ошибо измерений, постановками специальных тестовых экспериментов, сравнением экспериментальными и теоретическими результатами других авторов, а таюк использованием специально разработанных методик экспериментов.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанна методика измерения температуры поверхности жидких пленок позволяет получат качественно новую информацию при исследовании процессов в неизотермически пленках жидкости. Созданное автором программное обеспечение для обработк термограмм используется при проведении экспериментальных исследований, а такж в диагностических медицинских центрах как в России, так и за рубежом. Полученны экспериментальные данные могут быть использованы при создании и апробаци новых методов расчета двухфазных течений.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 1 печатных работ. Результаты работы докладывались автором диссертации на Международной конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 1997), на семинаре «Физическа гидродинамика» в Институте теплофизики под руководством чл.-корр. РАН С.1

Алексеенко (Новосибирск 1997, 2000), на семинаре "Прикладная гидродинамика" в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН под руководством чл.-корр. РАН В.В. Пухначева (Новосибирск 2000), на VI Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2000). Так же результаты, изложенные в диссертации, докладывались соавторами работ на различных международных и российских конференциях и семинарах.

Личное участие автора. Данная работа выполнена в лаборатории «интенсификации процессов теплообмена» (1994-2000, заведующий д.ф.-м.н. O.A. Кабов) Института теплофизики СО РАН. В диссертации изложены результаты исследований, выполненных автором самостоятельно и в сотрудничестве с сотрудниками лаборатории. Лично автором выполнено экспериментальное исследование температурного поля на поверхности пленки жидкости и численные расчеты течения локально нагреваемой стекающей пленки. Анализ и обобщение экспериментальных данных, а также сопоставление с численными расчетами выполнено совместно с O.A. Кабовым. Кроме того, И.В. Марчуку принадлежит методика термографического исследования.

Выводы.

1. Создана методика термографического исследования гравитационно стекающих жидких пленок и разработано специальное программное обеспечение для обработки термограмм, полученных на различных ИК камерах.

2. Получены распределения температуры и градиента температур на поверхности стекающей пленки жидкости при локальном нагреве в широком диапазоне режимных параметров эксперимента (толщина пленки, плотность теплового потока, свойства жидкости, угол наклона пластины).

3. Прямыми измерениями температурного поля обоснована термокапиллярная природа регулярных подковообразных структур, возникающих на поверхности локальнонагреваемой стекающей пленки жидкости.

4. Выполнены численные расчеты плоскопараллельного стационарного движения пленки жидкости по пластине с локальным источником тепла в приближении тонкого слоя с учетом термокапиллярного эффекта и температурной зависимости вязкости, а также перераспределения теплового потока в нагревательном элементе. Показано, что в горизонтальном вале жидкости при образовании регулярных структур имеет место термокапиллярное возвратное течение. На основе численных расчетов установлено, что величина максимальной деформации свободной поверхности жидкости в момент возникновения возвратного течения составляет 30-40% начальной толщины пленки

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ а - коэффициент температуропроводности, м /с В - ширина нагревателя, м В\=аЫХу/ - число Био ср- изобарная теплоемкость жидкости, Дж/(кг К) С- концентрация, %

Сг -критерий деформируемости поверхности термокапиллярными силами, =-итЛТ1оо <Шч т /¿А, -спектральная поверхностная плотность излучения абсолютно черного тела, Вт/м3 g- ускорение свободного падения, м/с2 к- толщина пленки, м г0 - начальная толщина пленки, м

О 1 / ^

К= (у / g) - масггаб вязко-гравитационного взаимодействия, м 1а = сг / pg - масштаб капиллярно-гравитационного взаимодействия, м Ь- длина нагревателя, характерный линейный размер, м Ьь - длина начального участка развития теплового пограничного слоя, м Ьу- длина гладкой, безволновой зоны течения пленки, м

ЛД (<За1дТ\дТ1ду)к2

Мп=--число Марангони ра

Ии - число Нуссельта

N - число узлов сетки по координате X. р - давление, Н/м2 ра - атмосферное давление, Н/м2

Ре - число Пекле

Рг = рср / Я - число Прандтля - плотность теплового потока, Вт/см2

- мощность, выделяемая нагревателем, Вт

Ке=Г/р- число Рейнольдса пленки

Яе^, - число Рейнольдса при ¿¿=¿/2

Яе/, - число Рейнольдса при ¿¿=1

Т- температура, °С

То - температура натекающей пленки жидкости, °С.

Ти - средневзвешенная температура пленки, °С

Ттах - максимальная температура на поверхности пленки, °С

Т - температура поверхности пленки, °С и, V - компоненты скорости в направлении х, ух соответственно, м/с и„, у0 - масштаб скорости жидкости, и0=5\х\(др%к()2/р0, у0=е и0, м/с и, V - безразмерные компонент ы скорости в направлении х, у, г соответственно х, у, г - декартовы координаты, м

X, У, 2- безразмерные декартовы координаты

Греческие символы а- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К) а(Я) - коэффициент поглощения жидкост и, м"1 Г - удельный расход жидкост и, кг/мс

Гу - объемный расход жидкости на единицу ширины пленки, м /с

АЛ - диапазон длин волн, регистрируемый прибором

Л) - коэффициент излучения жидкости, безразмерный е^(Л) - коэффициент излучения стенки, безразмерный s - соотношение линейных масштабов в пленке.

Л- коэффициент теплопроводности, Вт/мК

X - функция Хевисайда

0- угол наклона пластины к горизонту, градус в- температура, безразмерная

Л - длина волны, расстояние между гребнями струй, м

1 - динамическая вязкость жидкости, кг/мс л0 - динамическая вязкость жидкости, =ju(T0), кг/мс д - динамическая вязкость жидкости, = ц / /л0, безразмерная v- коэффициент кинематической вязкости, м /с. р- плотность, Kr/MJ ст- коэффициент поверхностного натяжения, Н/ м ут- линейный коэффициент, определяющий зависимость поверхностного натяжения от температуры, Н/мК т- касательное напряжение, Н/м

Нижние индексы

О- начальное значение величины или величина для вертикальной поверхности рассчитаная по теории Нуссельта sur- величина на поверхности пленки W- стенка х,у, г - производная величины по переменной х,у и касательной к поверхности

1. Альварес-Суарес В.А., Рязанцев Ю.С., 1986, О термокапиллярном движении, вызванном локальным нагревом жидкости импульсом ультрафиолетового излучения // Изв. АН СССР. МЖГ,- № 6,- С. 165-168.

2. Бердников B.C., 1977, Термокапиллярная конвекция в горизонтальном слое жидкости //Теплофизические исследования: Сб. науч. тр. Новосибирск,- С. 99-104. Бирих Р.В., 1966, О термокапиллярной конвекции в горизонтальном слое жидкости // ПМТФ.-№3.-С. 69-72.

3. Гимбутис Г., 1988, Теплообмен при гравитационном течении пленки жидкости. -Вильнюс : Моксклас.- 233 с.

4. Госсорг Ж., 1988, Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: Пер. с франц.- М.: Мир,- 416 с.

5. Индейкина А.Е., Рязанцев Ю.С., Шевцова В.М., 1991, Нестационарная термокапиллярная конвекция в слое неравномерно нагретой жидкости. // Изв. АН СССР МЖГ.- № 3.- С. 17-25.

6. Капица Г1.Л., 1948, Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости // Жури, экспер. и геор. физ. Т. 18, Вып. 1. - С. 3 - 28.

7. Линде X., Шварц П., Вильке X., 1984, Диссипативные структуры и нелинейная кинетика неустойчивости Марангони // Гидродинамика межфазных поверхностей,-М.: Мир.-С. 79-117.

8. Ллойд Дж. Системы тепловидения. -М.: «Мир», 1978, 414 с.

9. Повицкий A.C., Любин Л.Я., 1972, Основы динамики и тепломассообмена жидкостей и газов при невесомости,- М.Машиностроение,- 254 с.

10. Пухначев В.В, 1989, Движение вязкой жидкости со свободными границами.-Новосибирск,- 96 с.

11. Пшеничников А.Ф., Токменина Г.Л., 1983, Деформация свободной поверхности жидкости термокапиллярным движением // Известия АН СССР, МЖГ.- № 3,- С. 150153.

12. Растопов С.Ф., Суходольский А.Т., 1987, Применение лазерно-индуцированного эффекта Марангони для записи дифракционных решеток // Квантовая электроника.-Т. 14, № 8,-С. 1709-1710.

13. Холпанов Л.П., Шкадов В.Я., Малюсов В.А., Жаворонков Н.М., 1976, Исследования гидродинамики и массообмена в пленке жидкости с учетом входного участка // Теорет. основы хим. технологии,- Т. 10, № 5,- С. 659-669.

14. Цвелодуб О.Ю., 1990, Нелинейные волны на стекающих пленках вязкой жидкости: Дис. . докт. физ.-мат. наук,- Новосибирск: ИТ СО РАН.

15. Batishchev V.A., Kuznetsov V.V. and Pukhnachov V.V., 1989, Marangoni Boundary Layers// Prog. Aerospace Sei.- Vol. 26,- P. 353-370.

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

17. Bertozzi A.L. and Brenner M.P., 1997, Linear stability and transient growth in driven contact lines // Physics of Fluids.-Vol. 9, N 3,- P. 530-539.

18. Boeck T. and Thess A., 1997, Inertial Benard-Marangoni convection //.). Fluid Mech.- Vol. 350,- P. 149-175.

19. Bragard J. and Velarde M.C., 1998, Benard-Marangoni convection: planforms and related theoretical predictions//J. Fluid Mech.- Vol. 368,- P. 165-194.

20. Brauer H., 1956, Strömung und Wärmeübergang bei Riselfilmen // VDI-Forsch.- Vol. 22, N 457.-P. 5-40.

21. Carlomagno G.M. Infrared Thermography and Convective Heat Transfer. 4th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Brussels, June 2-6, 1997, pp. 29-40

22. Davis S. H., 1987, Thermocapillary Instabilities // Ann. Rev. Fluid Mech.- Vol. 19,- P. 403435.

23. Joo S.W., Davis S.H. and Bankoff S.G., 1996, A mechanism for rivulet formation in heated falling films//J. Fluid Mech. V. 321. P. 279-298.

24. Kabov O.A., Marchuk I.V., and Chupin V.M., 1996, Thermal Imaging Study of the Liquid Film Flowing on Vertical Surface with Local Fleat Source // Russian Journal of Engineering Thermophysics.- Vol.6, N 2,- P.104-138.

25. Kamotani Y., Ostrach S., Pline A., 1995, Thermocapillary Convection Experiment in Microgravity//Journal of Heat Transfer.- Vol. 117,- P. 611-618.

26. Niederkruger M. and Yuksel M. L., Direct Measurements of the Surface Temperature of Falling Films. Chem. Eng. Process., 21, 1987, 33-39.

27. Nield D.A., 1964, Surface Tension and Buoyancy Effects in Cellular Convection // J. Fluid Mech.-Vol. 19.-P. 341-352.

28. Nusselt W., 1916, Die Oberflachen-Kondensation des Wasserdampfes // Zeitschrift der VDI, N 27,- P. 541-546, N 28.- P. 569-575.

29. Pimputkar S.M. and Ostrach S., 1980, Transient thermocapillary flow in thin liquid layers // Phys. Fluids.- Vol. 23, N 7,- P. 1281-1285.

30. Pearson J. R. A., 1958, On convection cells induced by surface tension // J. Fluid Mech.-Vol. 4, N5,-P. 489-500.

31. Scriven L.E. and Sterling C.V., 1964, On Cellular Convection Driven by Surface Tencion Gradients: Effect of Mean Surface Tension and Surface Viscosity // J. Fluid Mech.- Vol. 19,- P. 321-340.

32. Shevtsova V.M., 1990, Influence of a Nonlinear Temperature Dependent Surface Tension Force on a Fluid Motion // Proceedings of the Seventeenth International Symposium on Space Technology and Science.- Tokyo. P. 851-857.

33. Shevtsova V.M. and Indeikina A.E., 1993, Thermoconvective Motion in a Liquid Layer with a Constant Gas Flux Along the Deformable Free Surface // Microgravity sci. Technol.-Vol. 6, N 3.- P. 149-156.

34. Silvi N. and Dussan V. E.B., 1985, On the Rewetting of an Inclined Solid Surface by a Liquid // Phys. Fluids.- Vol. 28, N 1.- P. 5-7.

35. Smith K.A., 1966, On Convective Instability Induced by Surface-Tension Gradients // J. Fluid Mech.- Vol. 24, N 2,- P. 401-410.