Измерение локальных параметров пристенных пленок жидкостей в теплофизических экспериментах Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 532.529

ИЗМЕРЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИСТЕННЫХ ПЛЕНОК ЖИДКОСТЕЙ В ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ

Александр Дмитриевич Назаров

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: nazarov@itp.nsc.ru

Виктор Григорьевич Приходько

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-70-50

Игорь Вячеславович Ярыгин

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-70-50

Вячеслав Николаевич Ярыгин

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, проф., главный научный сотрудник, тел. (383)330-86-15, e-mail: yarygin@itp.nsc.ru

В работе представлена методика измерения толщин и скоростей пристенных пленок жидкостей, истекающих с высокоскоростным (сотни метров в секунду) спутным газовым потоком из осесимметричных каналов в вакуум. Показано, что спутный газовый поток оказывает сильное воздействие на пристенную пленку, приводя к интенсивному волнообразованию, а также срыву капель с поверхности пленки.

Ключевые слова: емкостные датчики, пристенная пленка, толщина, скорость, спутный поток.

MEASUREMENTS OF NEAR-WALL LIQUID FILM LOCAL PARAMETERS IN THERMO-PHYSICAL EXPERIMENTS

Alexandr D. Nazarov

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Senior Scientific Researcher, tel. (383)330-64-66, e-mail: nazarov@itp.nsc.ru

Victor G. Prikhodko

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., Senior Scientific Researcher, tel. (383)330-70-50

Igor V. Yarygin

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., Senior Scientific Researcher, tel. (383)330-70-50

Vyacheslav N. Yarygin

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Akademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Chief Scientific Researcher, tel. (383)330-86-15, e-mail: yarygin@itp.nsc.ru

The method for measuring thickness and velocity of a near-wall liquid film flowing together with high-velocity (hundreds of meters per second) co-current gas flow from axially symmetric channels into vacuum is presented in the paper. It is shown that co-current gas flow has a strong impact on the near-wall film, leading to intense wave formation, as well as detachment of droplets from the film surface.

Key words: capacitive-type probes, near-wall film, thickness, velocity, co-current gas flow.

Течение жидкости в виде тонких пленок (толщиной менее 1 мм) широко используется в различных тепло- массообменных аппаратах и устройствах (конденсация неподвижного и движущегося пара, абсорбция и десорбция газа, сушка, дистилляция, фракционирование, транспорт природного газа по газопроводу и т.д.). Другое важное приложение пленочных течений - защита стенок от воздействия высокотемпературного газового потока (например, использование пристенной топливной пленки в жидкостных ракетных двигателях для тепловой защиты камеры сгорания и сверхзвукового сопла, инжекция жидкого охладителя в лобовую точку в условиях аэродинамического нагрева).

При экспериментальном моделировании взаимодействия пристенной пленки жидкости с газовым потоком большое значение имеют методы измерения локальных параметров пристенной пленки, таких как толщина и скорость. Именно эти параметры характеризуют силовое и тепловое воздействие газового потока на пристенную пленку. Даже при малых скоростях спутного потока пленка жидкости теряет устойчивость и на ее поверхности образуются капиллярные волны, в то время как без спутного потока течение пленки является ламинарным. Увеличение скорости спутного газового потока усиливает межфазное взаимодействие, приводя к формированию двух- и трехмерных волн на поверхности пленки.

К настоящему времени опубликовано большое количество работ по течениям пленок жидкостей [1]. Большинство из них посвящены исследованиям гравитационных пленок. Во многих работах также описывают стрессовые течения пленок, то есть течения, при которых пленка движется под действием касательного напряжения со стороны спутного газового потока. Однако, подавляющее большинство этих экспериментов проведено при относительно низких скоростях спутного потока, порядка 10 м/с. В данной работе исследования взаимодействия спутного газового потока с пристенной пленкой жидкости выполнены при высоких, включая сверхзвуковые, скоростях газового потока. Так, при использовании сверхзвукового сопла с геометрическим числом Маха М = 3 в качестве рабочего участка скорость спутного потока на срезе сопла составляла около 540 м/с, а использование рабочего участка с цилиндрической трубкой

позволило провести измерения в диапазоне скоростей спутного газового потока от 10 до 300 м/с.

В настоящее время существует довольно много методов измерения локальных характеристик пристенных пленок, в первую очередь их толщин. Обзор этих методов можно найти, например, в [1]. В данной работе измерения локальных параметров пристенной пленки жидкости проводились с помощью зондов емкостного типа. Схема рабочего участка приведена на рис. 1.

Для измерения скорости движения пристенной пленки использовались два последовательно расположенных зонда 3, для измерения толщины - четыре зонда 2, расположенных через 90° вблизи выходного сечения канала. В данной работе использовались коаксиальные емкостные датчики с диаметром внешнего электрода 1,6 мм, внутреннего - 0,5 мм. Частота опроса каждого датчика составляла 1 кГц. Описание принципа работы и методики измерения можно найти в [2].

Измерения толщины и скорости пристенной пленки жидкости в рамках данной работы проводились вблизи выходного сечения цилиндрического канала (рис. 1) диаметром 10 мм и длиной 20 мм. В качестве рабочего газа использовался воздух, в качестве рабочей жидкости - этанол. Начальные температуры газа и жидкости составляли около 20°С. Работа проводилась на Вакуумном газодинамическом комплексе Института теплофизики СО РАН. Большой объем рабочей камеры установки ВИКИНГ (около 150 м3) обеспечивает широкие возможности для работы в импульсных режимах. Длительность импульса в экспериментах не превышала, как правило, 5 секунд, при этом давление в вакуумной камере поднималось на величину, не превышающую 0,1 Па. Рабочий участок устанавливался внутри вакуумной камеры вертикально, выходным се-

жидкость \ газ

3

Рис. 1. Схема рабочего участка:

1 - пленка жидкости, 2 - датчик для измерения толщины, 3 - датчики для измерения толщины и скорости, 4 - корпус

чением вниз. Скорость спутного потока менялась в диапазоне 10-300 м/с (путем измерения давления в вакуумной камере), массовый расход газа - от 0,5 до 20 г/с. Характерный расход жидкости составлял 0,6-2 г/с.

При проведении исследований большое внимание было уделено тарировке емкостных датчиков. Обычно тарировка таких датчиков проводится в стационарных условиях, когда над поверхностью зонда создается пленка определенной толщины (которую можно измерить, например, контактным способом). Такой способ тарировки не подходит для криволинейных поверхностей, в частности, цилиндрического канала. Поэтому была применена схема с использованием втулок из диэлектрика, которые плотно вставлялись в канал и имели проточку заданной глубины над зондом, заполняемую жидкостью. Этот способ позволил получить тарировочные кривые для датчиков с учетом их заделки относительно поверхности канала. В результате суммарная погрешность измерения толщин пленок не превышала 10%.

Использованная схема с двумя последовательно расположенными датчиками позволяет проводить измерения скорости пленки. На рис. 2 приведена типичная диаграмма толщины пленки в промежутке времени от 700 мс до 1200 мс по показаниям двух последовательных зондов.

30 I—

I 20

с; с

03 I

с; о

10 —

700

800

900

1000

1100 1200 Время, мсек

Рис. 2. Толщина пленки жидкости, измеренная двумя последовательными датчиками:

а - первый (верхний) датчик, Ь - второй (нижний) датчик

0

Наблюдается корреляция показаний по амплитуде и форме сигналов. По временному сдвигу между пиками волн при известном расстоянии между зондами (5 мм) можно определить скорость крупных волн на поверхности пленки, а по разнице между моментами прихода пленки на зонды - скорость переднего фронта пленки. На рис. 3а показана зависимость скоростей волн и переднего фронта для пленки этанола в зависимости от числа Рейнольдса спутного газового потока, на рис. 3б- толщины.

о

1.8 1.6 1.4

$ 1.2 а)

ЕЁ 1

Ь 0.8 о а. § 0.6

О

0.4 0.2

X л Волны на поверхности

о V Передний фронт

X

X X

X

X

О 8

о

о

X

X

X

о о

о

X

сшо о

I

си с; с

ш

I

с; о

0 12 3 4

Число Рейнольдса Ке_дав, х105

100

10

0 12 3 4

Число Рейнольдса Ре_дав, х105

Рис. 3a. Скорость пленки этанола

Рис. 3б. Толщина пленки этанола

Сделаем несколько комментариев по представленным данным. Из рис. 2 можно видеть наличие некоторой периодической волновой структуры с характерным временным масштабом « 40 мс (частотой « 25 Гц). Видно также, что волны имеют крутой фронт, а затем идет пологая часть, на поверхности которой движутся более мелкие волны. Из представленных на рис. 3а данных видно, что при одних и тех же значениях числа Рейнольдса спутного газового потока скорости волн на поверхности пленки примерно в 2 раза выше скорости переднего фронта. Это можно легко объяснить, если считать распределение скорости по толщине пленки линейным, а именно: скорость равна нулю на стенке (прилипание), и скорость на поверхности равна скорости крупных волн. В этом случае средняя скорость пленки жидкости (которую можно приравнять к скорости переднего фронта) будет равна половине от скорости на поверхности. Из рис. 3а и 3Ь видно, что спутный поток оказывает определяющее влияние на пристенную пленку. Так, при увеличении числа Рейнольдса спутного газового потока от 1-104 до 3,5-105 средняя скорость пристенной пленки жидкости возрастает примерно с 0,1 до 0,8 м/с, а толщина пленки уменьшается при этом с 300-400 мкм до примерно 15 мкм. Кроме того, было установлено, что наряду с ускорением пристенной пленки под действием спутного газового потока в экспериментах наблюдается и другой процесс - срыв жидкости с поверхности пленки в виде капель и их унос спутным потоком. При этом количество уносимой жидкости хорошо обобщается по числу Вебера спутного газового потока, и, в зависимости от условий эксперимента, может достигать 60 % от начального расхода жидкости.

В работе показана возможность использования датчиков емкостного типа для измерения локальных параметров пристенных пленок жидкостей, истекающих с высокоскоростным (в том числе и сверхзвуковым) спутным газовым потоком из осесимметричных каналов в вакуум. Проведенные исследования позволили измерить средние толщины и скорости пристенной пленки, а также установить особенности ее взаимодействия со сверхзвуковым градиентным потоком газа (волнообразование, срыв капель с поверхности пленки, их дробление и унос спутным потоком).

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ, грант 1608-00436.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Алексеенко С.В., Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г. Волновое течение пленок жидкости. -Новосибирск: «Наука», 1992. - 256 с.

2. Серов А.Ф., Котов СВ., Назаров А.Д., Павленко АН., Печеркин НИ., Чехович В.Ю. Емкостной измеритель локальной толщины пленки жидкости // ПТЭ. 1997, Т.40, №1, -C.136-139.

© А. Д. Назаров, В. Г. Приходько, И. В. Ярыгин, В. Н. Ярыгин, 2016