CC BY
71
УДК 532.529.5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ТЕЧЕНИЯ В КАНАЛЕ КОМПАКТНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА ОПТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Герман Васильевич Барткус
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, лаборант, тел. (913)750-13-11, e-mail: germanbartkus@gmail.com
Игорь Анатольевич Козулин
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (923)182-08-97, e-mail: igomt@yandex.ru
Владимир Васильевич Кузнецов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, заведующий отделом, тел. (383) 330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
В работе с использованием метода лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF), метода двулучевого лазерного сканирования и высокоскоростной видеосъемки определены закономерности распределения фаз в поперечном сечении канала с гидравлическим диаметром порядка размера капиллярной постоянной. Изучена волновая структура газожидкостного течения вода-азот. Измерения локальной толщины пленки проведены в области режима течения с удлиненными пузырями-снарядами, переходного течения и кольцевого режима течения при высоких скоростях газовой фазы.
Ключевые слова: миниканал, газожидкостное течение, структура течения, метод лазерной индуцированной флуоресценции.
EXPERIMENTAL STUDY OF THE STRUCTURE OF GAS-LIQUID FLOW IN A CHANNEL OF COMPACT HEAT EXCHANGER BY OPTIC METHODS
German V. Bartkus
Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Akademika Lavrentjeva pr., tel. (913)750-1311, e-mail: germanbartkus@gmail.com
Igor A. Kozulin
Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Akademika Lavrentjeva pr., Ph. D., tel. (923)182-0897, e-mail: igornt@yandex.ru
Vladimir V. Kuznetsov
Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Akademika Lavrentjeva pr., Dr. Sc., Head Laboratory of multiphase systems, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
In this paper, using the method of laser-induced fluorescence (LIF), method of two-beam laser scanning and high-speed video was identified patterns of distribution phases in the cross-section of the channel with hydraulic diameter of the order to capillary constant. The wave structure was studied of gas-liquid flow in water-nitrogen mixture. Measuring the local thickness of liquid film was made in regime with elongated bubbles, transition flow and annular flow regime at high velocities of the gas phase.
Key words: minichannel gas-liquid flow, flow structure, the method of laser-induced fluorescence.
1. Введение.
В настоящее время наблюдается рост интереса к исследованиям в области гидродинамики и теплообмена в каналах с размером порядка капиллярной постоянной при создании компактных теплообменников. Это связано с бурным развитием электроники и медицины, а также миниатюризацией устройств в различных областях техники, например в аэрокосмической индустрии, энергетике и химической технологии.
Данная работа направлена на проведение комплексных экспериментальных исследований механизма гидродинамических процессов при течении жидкости в прямоугольных каналах с зазором порядка капиллярной постоянной. Определены закономерности распределения фаз и волновой структуры газожидкостного течения вода-азот с использованием оптических методов, таких как метод лазерно-индуцированной флюоресценции (LIF) и метода двулучевого лазерного сканирования потока. Видеосъемка режима течения осуществлялась с помощью высокоскоростной видеокамеры.
Метод лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF) обеспечивает высокое пространственное разрешение без внесения гидродинамических возмущений в объект исследования. [1]. При измерении методом LIF в исследуемый поток добавляют флуорофор, выбранное сечение освещают лазерным ножом, эмитированный красителем свет регистрируют цифровой камерой со светофильтром. Метод micro-LIF стал применяться достаточно недавно для измерения полей концентрации с микронным разрешением, а также для визуализации потоков в каналах малого размера [2]. В данной работе в качестве флуоресцентного красителя использовался Родамин 6Ж. Интенсивность эмиссии данного флуорофора практически не зависит от температуры, а значит, позволяет устранить ошибки измерений, связанные с нагревом исследуемого объекта возбуждающим излучением. Другой способ исследования двухфазного газожидкостного течения - это метод двулучевого лазерного сканирования [3]. Метод основан на сканировании двухфазного потока лазерными пучками на двух расстояниях от входа в канал. Интенсивность световых пучков, прошедших через канал, определялась фотодиодами, расположенными на противоположной стороне канала.
Визуализация двухфазного газожидкостного течения осуществлялась с помощью высокоскоростной видеокамеры, с частотой кадров 1250 кадр/c и экспозицией до 1 мкс.
2. Отработка методики LIF для измерения толщины пленки.
Для отработки методики LIF был создан экспериментальный стенд для изучения толщины пленки методом лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF) в свободно стекающей пленке жидкости, схема стенда представлена на рис. 1, а. Фотография экспериментального стенда представлена на рис. 1, б.
В данной методике был организован лазерный нож от импульсного лазера DTL-314QT (1) с длиной волны ^=532 нм. Луч света от импульсного лазера формировал лазерный нож, попадая на цилиндрическую линзу, после чего под прямым углом падал на стекло (2), с обратной стороны которого организовывалась стекающая пленка жидкости - ривулет (3). Подача жидкости осуществлялась через круглый капилляр с гидравлическим диаметром Dh=1.5 мм (4). В качестве жидкости использовалась дистиллированная вода, которая из бака (6), поступала в термо-массовый контроллер расхода жидкости LIQUI-FLOW L30 (5). Для обеспечения течения жидкости по контуру с помощью газового баллона (7) осуществлялось создание избыточного давления в баке с жидкостью (6). Стекающая пленка жидкости попадала в специальный водозаборник (9). Высокоскоростная видеокамера Optronics CR600x2 (10) регистрировала отраженный свет, проходящий через оранжевый светофильтр ОС-12 (550 нм), и располагалась под углом от 30 до 450 к вертикали. Весь экспериментальный стенд был накрыт светонепроницаемым кожухом для исключения шума от ламп накаливания и дневного света. Для освещения и получения фотографий стекающего ривулета жидкости применялась лампа (8). Полученные данные с видеокамеры записывались на компьютере (11) и в дальнейшем обрабатывались.
/
Рис. 1. Экспериментальный стенд для изучения толщины свободно стекающей пленки методом лазерно-индуцированной флюоресценции (ЬШ):
а) схема; б) фотография стенда
Экспериментальный стенд позволил провести калибровку интенсивности излученного света от толщины пленки ривулета. Калибровка проводилась для определения степени освещенности в зависимости от толщины жидкой пленки ривулета или от концентрации флуорофора. В качестве флуорофора использовался Родамин 6Ж, который разводился в пропорции от 1 до 3 мг красителя Родамина 6Ж на литр дистиллированной воды.
На рис. 2, а представлена фотография ривулета жидкости при освещении лампой накаливания и при освещении светом от лазерного ножа соответствен-
но. Овалом отмечена область, освещаемая лазерным ножом. Распределение интенсивности света вдоль горизонтальной оси (х - вдоль течения ривулета), и вертикальной оси (у), подчиняется распределению Гаусса, рис. 2, б. Для определения интенсивности света была написана программа, позволяющая определять интенсивность света вдоль горизонтальной и вертикальной линии на полученных фотографиях.
(а) (б) (в)
Рис. 2.
а) фотография ривулета жидкости; б) график зависимости интенсивности лазерного излучения от координаты х; в) зависимость интенсивности от координаты у
Зная расход жидкости, можно определить толщину пленки ривулета согласно формуле из работы [4].
п, а
Q = -Z-\h*dx, (1)
3 v J
-> у 0
где Q - расход жидкости, g - ускорение свободного падения/v - кинематическая вязкость жидкости. Толщина пленки жидкости - h определяется как:
h = -a ■ ctg(©) + yja2 ■ctg2(0)- x2 + a2 , (2)
здесь а - полуширина ривулета, 0 - угол смачиваемости. При координате jc=0, толщина пленки ривулета максимальна и равна:
= a-(l-cos(0))
max • V /
sm(@)
3. Результаты.
В результате проведенной работы были получены экспериментальные данные по динамике локальной толщины жидкости в газожидкостном течении в одиночном прямоугольном канале 0.72x1.50 мм. На рис. 3, а приведено распределение толщины пленки на широкой стороне канала 0.72x1.50 мм для режима течения с удлиненными газовыми снарядами. Приведенная скорость жидкости и газа составляла Jnq=0.083 м/с и Jgas= 0.22 м/с соответственно.
84 70
г 56 42
ю
28 14 0
а)
0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00
А, V
0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 мм
0 200 400 600 800 1000
1, тс
б)
Рис. 3.
а) толщина пленки для режима течения с вытянутыми снарядами;
б) оптический сигнал с фотодиода и визуализация режима течения.
Из рис. 3, а видно, что волновое течение пленки слабо выражено, и в различные моменты времени толщина пленки меняется несущественно. На рис. 3, б представлен оптический сигнал с фотодиода, полученный методом двулучевого лазерного сканирования и визуализация режима течения с использованием высокоскоростной видеокамеры.
При увеличении приведенных скоростей получен переход к кольцевому режиму с крупными волнами. На рис. 4, а приведено распределение толщины пленки в канале, для приведенных скоростей жидкости и газа Jliq=0.083 м/с и 1ёа8=6.03 м/с. На рис. 4, б представлен оптический сигнал с фотодиода, полученный методом двулучевого лазерного сканирования и визуализация режима течения с использованием высокоскоростной видеокамеры.
84 70 . 56
■42
>
28 14 0
А, V
0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 м м
1
1
■
...... - ...... ...
а)
Рис. 4.
200 400 600 800 1000
1, тс
б)
а) толщина пленки для кольцевого режима течения; б) оптический сигнал с фотодиода и визуализация режима течения
0
4. Заключение.
В результате выполненных работ экспериментально получена структура газожидкостного течения в канале с гидравлическим диаметром порядка капиллярной постоянной. С помощью метода лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF) установлена форма волн на поверхности пленки жидкости в зависимости от режима течения. Детально изучена структура течения с помощью двулучевого лазерного сканирования и высокоскоростной видеосъемки течения. Исследование выполнено в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-49-00010).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бояршинов Б. Ф., Федоров С. Ю. Измерение методом LIF температуры и концентрации радикала OH при горении водорода и этанола // Физика горения и взрыва. - 2004. - Т. 40, N 5. - C. 16-20.
2. Oddy M., Santiago J., Mikkelsen J. Electrokinetic instability micromixing // Analytical chemistry. - 2001. - Vol. 73. - P. 5822-5832.
3. Козулин И. А., Кузнецов В. В. Статистические характеристики двухфазного газожидкостного потока в вертикальном микроканале // Прикладная механика и техническая физика. - 2011. - Т. 52 (6). - С. 129-139.
4. Kuznetsov V. V., Vitovskii O. V., and Krasovskii V. A. An Experimental Investigation of Modes of Flow under Conditions of Evaporation of Liquid on a Vertical Heating Surface // Heat and Mass Transfer. -2007, -V. 45, No. 1, -P. 77-84.
© Г. В. Барткус, И. А. Козулин, В. В. Кузнецов, 2015
