CC BY
15
УДК 532.529
ДИАГНОСТИКА ПАРАМЕТРОВ ПРИСТЕННОЙ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ ПРИ ЕЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ СО СПУТНЫМ ПОТОКОМ ГАЗА В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ КАНАЛЕ
Юрий Николаевич Вязов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, аспирант, тел. (383)330-86-15, e-mail: [email protected]
Павел Романович Вотинов
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, магистрант
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
В работе представлены результаты экспериментальных исследований по измерению толщин и скоростей пристенных пленок воды, этанола и их смесей, истекающих с высокоскоростным спутным газовым потоком из цилиндрического канала в вакуум. Показано влияние физических свойств жидкостей и параметров газового потока на характер течения пристенной пленки.
Ключевые слова: спутный поток газа, пристенная пленка жидкости, измерение толщин и скоростей.
DIAGNOSTICS OF NEAR-WALL LIQUID FILM PARAMETERS UNDER
ITS INTERACTION WITH CO-CURRENT GAS FLOW INSIDE CYLINDRICAL CHANNEL
Yury N. Vyazov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect, graduate student, tel. (383)330-86-15, e-mail: [email protected]
Pavel R. Votinov
Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marx Prospect, undergraduate
Igor V. Yarygin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect, Ph. D., senior researcher
Results of experimental studies on wall liquid film thickness and velocity measurements for water, ethanol and their mixtures under ejection with high-velocity co-current gas flow from cylindrical channel into vacuum are presented in the paper. Effect of physical properties of liquids and parameters of the gas flow on character of wall film current is shown.
Key words: co-current gas flow, near-wall film, thickness and velocity measurements.
Течение тонких, толщиной менее 1 мм, пристенных пленок жидкостей является предметом многочисленных как экспериментальных, так и теоретиче-
ских исследований, что связано с их широким применением в различных технических устройствах и технологических процессах. Общепринятым является деление пленок на два класса - гравитационные, стекающие по наклонным, либо вертикальным поверхностям, и стрессовые, движущиеся под действием газового потока [1]. Иногда встречается сочетание взаимодействия гравитационных пленок со встречным газовым потоком. При экспериментальном исследовании пленочных течений вопросам диагностики толщины, скорости, волновых и других характеристик пленок уделяется первостепенное внимание.
Эксперименты проводились на крупномасштабной вакуумной газодинамической установке ВИКИНГ Института теплофизики им. С.С. Кутателазде СО РАН (ВГК ИТ СО РАН, включен в перечень уникального научного оборудования), позволяющей за счет большого объема вакуумной камеры (150 м3) выполнять исследования в импульсных режимах с большими расходами жидкости и газа, недостижимыми при работе в непрерывном режиме [2].
Схема рабочего участка приведена на рис. 1. Основное внимание в данной работе было уделено измерениям локальных параметров пристенной пленки жидкости (толщины и скорости). Среди используемых в настоящее время методов диагностики пристенных пленок жидкостей можно выделить контактные (зондовые) и бесконтактные (оптические). В данной работе выбор был сделан в пользу зондовых методов, а именно зондов емкостного типа [3].
жидкость
I газ
1 I
Рис. 1. Схема рабочего участка.
1 - пленка жидкости, 2 - датчик для измерения толщины, 3 - датчики для измерения толщины и скорости, 4 - канал
Основной принцип диагностики с помощью таких зондов состоит в измерении емкости слоя жидкости над зондом с последующим пересчетом показаний зонда на толщины пленок с использованием тарировочных зависимостей. Данный метод обладает хорошим пространственным (порядка 1 мм) и временным (порядка 1 мс) разрешением. Для измерения скорости движения пристен-
ной пленки использовались два последовательно расположенных зонда 3, для измерения толщины - четыре зонда 2, расположенных через 90°. Измерения толщины и скорости пристенной пленки жидкости проводятся вблизи выходного сечения осесимметричного канала, в качестве которого была выбрана цилиндрическая латунная трубка внутренним диаметром 10 мм и длиной 20 мм, имеющая форкамеру диаметром 20 мм. В качестве рабочего газа использовался воздух, в качестве рабочей жидкости - этанол, вода, и их смеси с объемными концентрациями 25, 50 и 75 %. Начальные температуры газа и жидкости были комнатными. Эксперименты проводились в импульсных режимах. Длительность импульса составляла, как правило, 5 секунд, при этом давление в вакуумной камере за время запуска поднималось на величину, не превышающую 0,1 Па. Рабочий участок устанавливался внутри вакуумной камеры вертикально, выходным сечением канала вниз. Массовый расход газа изменялся от 0,5 до 20 г/с, расход жидкости - от 0,6 до 2 г/с.
При проведении экспериментальных исследований очень важным является вопрос достоверности результатов измерений, поэтому 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 реализована схема с использованием втулок из диэлектрика, которые плотно вставлялись в канал и имели проточку заданной глубины над датчиком, заполняемую жидкостью. Этот способ позволил получить тари-ровочные кривые для каждого датчика с учетом его индивидуальной чувствительности и заделки датчиков относительно поверхности канала. Такие тариро-вочные кривые были построены как для чистых воды и этанола, так и для смесей вода-этанол с объемными концентрациями 25, 50 и 75 %, которые использовались в качестве рабочих жидкостей в экспериментах. Поскольку измеряемая толщина пленки жидкости пропорциональна диэлектрической проницаемости среды, формально можно было провести тарировки только с одной жидкостью (например, этанолом), а тарировочные кривые для остальных получить путем умножения на коэффициент, равный отношению диэлектрических про-ницаемостей жидкостей. При этом величины диэлектрической проницаемости чистых жидкостей можно найти в справочных данных, а для смесей использовать формулы Лихтенеккера:
¿смеси = Л ¿1 + У2 ¿2 ,
где £1 и ¿2 - диэлектрические проницаемости чистых компонентов, у1 и у2 - их объемное содержание в смеси. Поскольку при тарировке наблюдалось некоторое расхождение, в пределах нескольких процентов, между экспериментальными и расчетными кривыми, тарировки были проведены для всех рабочих жидкостей и для каждого датчика получены свои тарировочные кривые (рис. 2)
с учетом заделки датчиков относительно поверхности канала и их индивидуальной чувствительности. В результате проведения тарировок указанным способом удалось существенно повысить точность измерений и получить погрешность измерений не превышающую, по оценкам, 15 %.
Рис. 2. Тарировочные кривые для емкостных датчиков (датчик 1)
Из рис. 2 видно, что тарировочные зависимости имеют нелинейный характер, а чувствительность датчиков и, соответственно, погрешность измерений зависят от толщины измеряемой пленки. Видно, что наиболее точно датчики измеряют толщины пленок менее 100 мкм. С использованием созданной аппаратуры и полученных тарировочных зависимостей был выполнен цикл исследований по взаимодействию спутного потока воздуха с пристенными пленками воды, этанола и их смесей. На рис. 3 показан для примера вид зависимости толщины пленки жидкости от времени для этанола (рис. 3, а) и для воды (рис. 3, б) при их течении со спутным потоком газа в цилиндрическом канале.
При течении пленки этанола в канале (рис. 3, а) хорошо наблюдается момент прихода жидкости на датчик, далее в течение времени подачи датчиком регистрируется пленка жидкости толщиной в несколько десятков микрон, которая имеет волновую структуру с относительно большой амплитудой и частотой, после чего происходит спад, и толщина уменьшается практически до нуля. При детальном рассмотрении установлено, что мелкие волны на поверхности пленки имеют крутой фронт и пологий спад, а характеристики волн определяются, в первую очередь, параметрами спутного газового потока (числом Рей-нольдса). При течении пленки воды в канале ситуация несколько меняется, а именно, в ряде случаев наблюдается не сплошная пленка жидкости во время подачи, а многократные повторы прихода пленки на датчик и спада до нуля, при этом средняя толщина пленки увеличивается.
| 20
ЕТ с
4000 6000
Время, мс
с
3000 4000
Время, мс
а) б)
Рис. 3. Толщина пленки жидкости в канале при Regas = 4,7-104
а) для этанола; б) для воды
10
0
0
2000
Такое поведение пленки связано, по-видимому, с образованием сухих пятен на внутренней поверхности канала и течением пленки в виде отдельных ручейков - ривулетов. Это вызвано, возможно, высоким значением коэффициента поверхностного натяжения воды и низкой смачиваемостью поверхности.
В заключение отметим, что основной итог выполнения данной работы состоит в создании комплекса аппаратуры для измерения локальных параметров (толщины и скорости) пристенных пленок жидкостей. Важное методологическое значение имеет предложенная и реализованная схема проведения тарировок емкостных датчиков непосредственно на рабочем участке. Проведенный цикл исследований по взаимодействию пристенных пленок жидкостей со спутным газовым потоком позволил установить существенное влияние физических свойств жидкостей на характер взаимодействия. Было показано, в частности, что коэффициент поверхностного натяжения определяющим образом влияет на разрыв тонких пленок с образование сухих пятен и переходу к ривулетному течению.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного гранта 16-38-00406.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Алексеенко С. В., Накоряков В. Е., Покусаев Б. Г. Волновое течение пленок жидкости. - Новосибирск : Наука, 1992. - 256 с.
2. Приходько В. Г., Храмов Г. А., Ярыгин В. Н. Крупномасштабная криогенно-вакуумная установка для исследования газодинамических процессов // ПТЭ. - 1996. - Т. 39, № 2. - С. 162-164.
3. Емкостной измеритель локальной толщины пленки жидкости / А. Ф. Серов, С. В. Котов, А. Д. Назаров, А. Н. Павленко, Н. И. Печеркин, В. Ю. Чехович // ПТЭ. - 1997. - Т. 40, № 1. - С. 136-139.
© Ю. Н. Вязов, П. Р. Вотинов, И. В. Ярыгин, 2017
