CC BY
13
УДК 532.529
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИСТЕННЫХ ПЛЕНОЧНЫХ ТЕЧЕНИЙ В СВЕРХЗВУКОВЫХ СОПЛАХ
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
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 представлена методика проведения и результаты экспериментальных исследований течения пристенной пленки жидкости в условиях высокоскоростного спутного газового потока внутри сверхзвукового сопла. Показано, что спутный газовый поток оказывает определяющее воздействие на пленку, приводя к интенсивному волнообразованию, а также срыву капель с поверхности пленки.
Ключевые слова: емкостные датчики, пристенная пленка, сверхзвуковое сопло, толщина, скорость, спутный поток.
EXPERIMENTAL STUDY OF NEAR-WALL LIQUID FILM FLOWS INSIDE SUPERSONIC NOZZLES
Alexandr D. Nazarov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect, D. Sc., senior 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 La-vrentiev Prospect, Ph. D., senior researcher
Igor V. Yarygin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect, Ph. D., senior researcher
The method for measuring of 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.
Среди многочисленных приложений пристенных пленочных течений жидкости важное место занимает охлаждение теплонапряженных конструкций, например, использование пристенной топливной пленки в жидкостных ракетных двигателях для тепловой защиты камеры сгорания и сверхзвукового сопла от воздействия высокотемпературных продуктов сгорания. Определяющая роль в исследованиях пленочного охлаждения теплонапряженных конструкций принадлежит экспериментам, в первую очередь измерению локальных параметров пристенных пленок жидкости - толщины и скорости. Именно эти параметры, в конечном итоге, определяют характер и интенсивность межфазного взаимодействия высокоскоростного спутного потока газа с пристенной пленкой жидкости. Хотя к настоящему времени опубликовано большое количество работ по течениям пристенных пленок жидкостей, как гравитационных, так и движущихся под действием газового потока, количество публикаций по течениям пленок в условиях высокоскоростного, а особенно сверхзвукового, спутного газового потока ограничено [1]. В данной работе представлены некоторые результаты экспериментального исследования взаимодействия спутного газового потока с пристенной пленкой жидкости в сверхзвуковом коническом сопле с последующим истечением газокапельного потока в вакуум.
Эксперименты проводились на Вакуумном газодинамическом комплексе Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (на крупномасштабной установке ВИКИНГ объемом около 150 м3) [2]. Рабочий участок представлял собой сверхзвуковое сопло с диаметром дозвуковой части 20 мм, критического сечения - 10 мм, выходного сечения - 20 мм и конической сверхзвуковой частью длиной 20 мм. Сопло было изготовлено из латуни, выходная кромка имела прямоугольную форму и толщину 1 мм. Рабочий участок устанавливался внутри вакуумной камеры выходным сечением вниз. Рабочая жидкость, в качестве которой использовался этанол, попадала в форкамеру сопла через кольцевой зазор шириной 0,1 мм. Одновременно через сопло продувался рабочий газ, в качестве которого использовался воздух. Начальные температуры газа и жидкости были комнатными, начальное давление в вакуумной камере, куда истекала газокапельная струя из сопла, могло меняться на пять порядков - от атмосферного до
1 Па, что обеспечивало большие диапазоны изменения режимных параметров по расходу газа и давлению на срезе сверхзвукового сопла. Основное внимание в работе было уделено измерения локальных характеристик пристенной пленки жидкости при ее взаимодействии со спутным сверхзвуковым потоком воздуха.
В настоящее время существует большое количество методов измерения локальных характеристик пристенных пленок, в первую очередь их толщин. В данной работе измерения локальных параметров пристенной пленки жидкости (толщина пленки и ее скорость) проведены с помощью датчиков емкостного типа [3]. Схема рабочего участка приведена на рис. 1.
В экспериментах использовались коаксиальные емкостные датчики с диаметром внешнего электрода 1,6 мм, внутреннего - 0,5 мм, заделанные заподлицо с внутренней поверхностью сопла. Для измерения толщины пленки четыре датчика
2 располагались через 90° по периметру сопла, а показания по ним усреднялись.
Рис. 1. Схема сопла:
1 - пленка жидкости; 2 - датчики толщины пленки; 3 - сопло
Для измерения скорости использовались два зонда, расположенные на расстоянии 5 мм друг от друга. Частота измерений зондов составляла 1 кГц. Большое внимание было уделено повышению точности измерений, а именно получению тарировочных зависимостей емкостных датчиков в условиях, гарантирующих достоверность последующих измерений в реальных экспериментах. При обычном подходе датчики тарируются на плоских пленках жидкости, толщина которых предварительно измеряется каким-либо способом. Перенос таких тарировок на кольцевые пристенные пленки, как в нашем случае сверхзвукового сопла, создает некоторые неопределенности, кроме того в этом случае не учитывается реальная заделка датчиков в стенку сопла. Отмеченные неопределенности исчезают, если датчики тарируются непосредственно на самом сопле. Для проведения тарировок были изготовлены конические вставки в сопло, которые обеспечивали гарантированную и известную толщину пленки жидкости над датчиком. Пример полученных при таком подходе тарировок показан на рис. 2.
250000
200000
150000
го н
£
го 100000 50000 0
Рис. 2. Тарировочные зависимости емкостных датчиков
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Толщина, мкм
Можно видеть, что тарировочные зависимости имеют нелинейных характер и погрешность измерений зависит от толщины пленки. Видно также, что нет единой тарировочной зависимости для датчиков, т.е. тарировки для датчиков индивидуальны и отличаются друг от друга, что связано с их чувствительностью и их заделкой в сопло.
На рис. 3 представлена часть временной диаграммы первичных показаний двух последовательно расположенных зондов (для измерений скорости).
25 —| 2 -
ш -
, 20
I
ш
ЕЁ 15 го
I ^
^ 10 с; о I-
5
2 2.1 2.2 2.3
Время, с.
Рис. 3. Часть временной диаграммы, записанная двумя последовательно расположенными датчиками
"Верхний датчик" "Нижний датчик"
Можно видеть, что наблюдается сильная корреляция между показаниями датчиков как по амплитуда, так и по форме сигнала. Временной сдвиг между пиками на графиках позволяет при известном расстоянии (5 мм) между датчиками определять скорость волн на поверхности пленки жидкости. Было установлено, что поверхность пленки имеет волновую структуру, а высота волн (амплитуда сигнала) зависит от толщины пленки и в условиях проведенных экспериментов составляет около 1/3 от толщины. При этом на поверхности крупных волн наблюдаются более мелкие волны (рябь).
Выделим важные особенности взаимодействия пристенной пленки жидкости со спутным газовым потоком в условиях рассматриваемой задачи.
1. Сильное падение давления в спутном газовом потоке. Отметим, что для выбранного сопла (М = 3) и рода газа (воздух) давление в спутном газовом потоке над пленкой падает примерно в 30 раз. Это означает, что для максимальных в условиях данной работы значений давлений газа в форкамере сопла давление газа на срезе сопла будет равно примерно 4,3 кПа, что ниже давления насыщенных паров этанола (рнас ~ 5,8 кПа) при комнатной температуре. Формально это означает, что пленка этанола в выходном сечении сопла становится «перегретой» и должна начать испаряться или кипеть.
2. Сильное взаимодействие спутного газового потока с пристенной пленкой жидкости, приводящее к волнообразованию и интенсивному срыву капель. Спутный поток в условиях проведенных экспериментов должен оказывать очень сильное влияние на пленку, вызывая волнообразование и унос капель с ее поверхности. Формальным обоснованием высказанному предположению являются большие числа Вебера We, максимальные значения которых в экспериментах близки к 200. Это достаточно высокие числа Вебера, и, согласно обзору [4], в условиях экспериментов данной работы должен иметь место интенсивный унос капель.
3. Уменьшение толщины пленки жидкости за счет геометрического фактора. Поскольку сверхзвуковая часть сопла является расходящимся каналом, то формально толщина пленки должна уменьшаться пропорционально 1/О (О -диаметр сопла), т.е. для выбранного сопла с Оа /О = 2 при движении от критического сечения до выходного толщина пленки и число Рейнольдса пленки Кенч должны уменьшиться в два раза.
В заключение отметим, что в работе показана возможность использования датчиков емкостного типа для измерения локальных параметров пристенных пленок жидкостей - толщины и скорости при взаимодействии с высокоскоростным (в том числе и сверхзвуковым) спутным газовым потоком. Обоснована необходимость индивидуальной тарировки датчиков, обусловленная различной чувствительностью и заделкой датчиков относительно внутренней поверхности рабочего сопла. Исследованы волновые характеристики пристенной пленки жидкости в сверхзвуковом сопле, показано сильное влияние параметров спут-ного газового потока на характер течения пленок.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного гранта 16-08-00436.
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.
4. Гогонин И. И. Теплообмен при конденсации движущегося пара внутри вертикальных труб (обзор) // ИФЖ. - 2004. - Т. 77, № 2. - С 167-180.
© А. Д. Назаров, В. Г. Приходько, И. В. Ярыгин, 2017
