Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2022
Ключевые слова: Модели конвекции, точные решения, фазовый переход, испарение, межфазная граница, математическое моделирование, устойчивость, конвективные режимы, двухфазные системы, процессы тепломассообмена, жидкостные микро и минисистемы
Аннотация: Теоретические исследования выполнены в рамках двусторонних моделей, описывающих конвекцию в двухслойной системе в условиях фазовых переходов жидкость – пар. В качестве определяющих уравнений моделей используются уравнения Обербека – Буссинеска, дополненные уравнением молекулярного переноса, описывающим диффузию пара в фоновом газе.Показать полностьюЭффекты испарения учитываются в условии теплового баланса на межфазной границе, обобщённого на случай диффузионного переноса массы. Основные уравнения содержат дополнительные слагаемые, отвечающие эффектам Соре и Дюфура, проявляющимся в газопаровом слое в присутствии испаряемого компонента. ??Проведено численное моделирование установившихся течений испаряющейся жидкости и газопаровой смеси в нагреваемом по линейному закону со стороны подложки трёхмерном канале с теплоизолированными боковыми и верхней стенками. Для описания конвективных течений используется точное в групповом смысле решение ранга 2 дефекта 3, задающее лишь функциональную форму зависимости искомых функций от пространственных координат. Структура точного решения допускает редукцию исходной трёхмерной задачи к цепочке двумерных задач. Для численного решения полученных двумерных задач модифицирован разработанный ранее авторский код. Исследовано влияние внешней температурной накачки на количественные и качественные изменения параметров конвективных режимов в системах с разными типами жидкого теплоносителя. Точное решение предсказывает формирование поступательно-вращательных течений, которые реализуются в форме валиковой конвекции с образованием продольных упорядоченных термокапиллярных структур различной топологии в зависимости от типа рабочей жидкости и интенсивности приложенной тепловой нагрузки. Установлено, что за счёт изменения параметров температурной накачки (температурного градиента и температуры нижней стенки) можно добиться увеличения или уменьшения скорости испарения. Возможность реализации конвективных режимов, предсказываемых точным решением, подтверждена экспериментально. Проведено сравнение расчётных и измеренных в экспериментах значений массовой скорости испарения для системы сред этанол – воздух; при удовлетворительном качественном соответствии результатов, точное решение предсказывает заниженные значения указанной характеристики, что обусловлено разницей между модельной постановкой и реальной физической системой. ??На основе точных частично-инвариантных решений ранга 1 дефекта 2, использующихся для описания течений в двухфазных системах, проведён анализ двумерных постановок задач испарительной конвекции. Рассмотрены течения в горизонтальных и наклонных каналах. Проведена классификация постановок, выделены типы граничных условий для функций концентрации пара и температуры на твёрдых внешних границах области течения и варианты постановок краевых задач, которые приводят к содержательным результатам при моделировании двухслойных течений в канале в предположении о постоянном или неоднородном характере массовой скорости испарения. Апробация граничных условий и верификация точных решений, построенных в общем случае неоднородного испарения, выполнены на основе сравнения расчётных и экспериментальных данных. С помощью содержательных точных решений исследовано влияние интенсивности гравитационного воздействия и геометрических характеристик на параметры конвективных режимов в системах рабочих сред этанол/HFE7100 – азот/воздух. Методом нормальных мод исследована линейная устойчивость точного решения, описывающего испарительную конвекцию в плоском горизонтальном канале, на границах которого поддерживается линейное распределение температуры; решение получено в рамках постановки, предполагающей выполнение полного условия нулевого потока пара на верхней стенке. Получены критические характеристики устойчивости в случае плоских и пространственных возмущений для систем различной геометрии. Установлено стабилизирующее влияние термокапиллярного эффекта. Доказан колебательный характер возникающих неустойчивостей, что подтверждается известными экспериментальными данными. Пространственная неустойчивость проявляется формированием упорядоченных продольных и поперечных структур различной топологии; при этом поперечные валы дрейфуют вдоль потока в направлении основного течения жидкости в приповерхностном слое. Построены карты возможных режимов неустойчивости.??Построены новые обобщения решений Остроумова – Бириха для случаев трёхслойной системы жидкость-жидкость-газопаровая смесь и двухслойной системы бинарных смесей. С помощью полученных решений проведена апробация граничных условий первого и второго рода для функции концентрации пара. В случае системы бинарных смесей использование условий Дирихле приводит к необходимости поиска дополнительных замыкающих соотношений. Формулировка условия Неймана для функции паросодержания на верхней границе и использование функции поверхностного натяжения, восстановленной с помощью известных эмпирических данных для водных растворов этанола, обеспечивают корректное замыкание задачи. ??В рамках модели испарительной конвекции на основе уравнений Навье – Стокса и уточнённого энергетического условия на свободной границе, рассмотрена задача о периодическом стекании тонкого жидкого слоя по нагреваемой наклонной подложке. Исследовано влияние разных режимов нагрева подложки, проведены расчёты в случаях классического и обобщённого условия теплового баланса на свободной поверхности. Обнаружено дестабилизирующее влияние термокапиллярного эффекта, которое проявляется в сохранении волновых процессов на поверхности жидкости с течением времени. ??Для проведения экспериментальных исследований спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд. Экспериментальная установка позволяет отдельно подавать на рабочий участок чистый газ и жидкость (с контролем массового расхода газа и постоянного уровня испаряющейся жидкости на рабочем участке), измерять массовый поток парогазовой смеси на выходе рабочего участка с помощью массового расходомера, контролировать температуру жидкости и газа. Контроль положения уровня межфазной границы осуществляется с помощью шлирен-метода и шприцевого насоса. Прозрачные стенки жидкостного и газового канала обеспечивают возможность применения различных оптических методов для исследования конвективных течений в жидкости и измерения концентрации пара в газовой фазе.??Для наблюдения и контроля положения уровня межфазной границы и измерения распределения температуры на поверхности жидкости ИК сканером создана комбинированная оптическая система «Шлирен – ИК камера», позволяющая одновременно поддерживать плоскую форму межфазной границы, измерять на ней распределение температуры и вести запись термограмм с поверхности слоя жидкости. ??Проведены эксперименты по измерению средней массовой скорости испарения с поверхности слоя жидкости в зависимости от режимных параметров эксперимента. Получены экспериментальные зависимости массовой скорости испарения от средней скорости потока газа и толщины жидкого слоя. Установлено существование локального максимума массовой скорости испарения для системы этанол-воздух при толщине слоя жидкости 3 мм. На основе данных экспериментов рассчитаны градиенты температуры на межфазной поверхности в зависимости от температуры системы и скорости потока газа и определены термокапиллярные напряжения на межфазной поверхности для систем этанол-воздух, HFE7100-воздух. Для обеих систем получены экспериментальные зависимости сил сдвиговых напряжений от числа Рейнольдса в газовой фазе. Проведён анализ соотношения между термокапиллярными силами и касательными напряжениями.