Численное и физическое моделирование двухфазных течений в области миниканала
|
ВВЕДЕНИЕ 12
ГЛАВА 1. ДВУХФАЗНЫЕ ТЕЧЕНИЯ В ОБЛАСТИ МИНИКАНАЛА. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 16
1.1 Гидродинамика двухфазных газожидкостных течений в каналах
различного сечения 16
1.2 Термокапиллярные явления в нагреваемом плоском слое
жидкости 38
1.3 Тепломассообмен пленки жидкости и потока газ 47
ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКОЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ОБЛАСТИ МИНИКАНАЛА 54
2.1 Физическое моделирование 54
2.1.1 Описание экспериментального стенда 54
2.1.1.1 Рабочий участок 56
2.1.1.2 Оптическая система 58
2.1.2 Методика проведения эксперимента 59
2.1.2.1 Область изменения основных факторов 59
2.1.2.2 Контроль плоской границы раздела «газ-жидкость»...61
2.1.2.3 Измерение средней скорости испарения 61
2.1.2.4 Оценка погрешности измерений 63
2.1.2.5 Свойства рабочей жидкости и газа 66
2.2 Численное моделирование 66
2.2.1 Математическая постановка задачи 66
2.2.2 Дискретная модель 69
2.2.3 Методика определения массовых потоков газа и пара 75
ГЛАВА 4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ,
РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования
4.2 Причинно-следственная диаграмма Исикава
4.3 SWOT-анализ
4.4 Обоснование выбора исследования
4.5 Определение перечня работ и оценка времени на их выполнение...
4.6 Бюджет научного исследования
4.7 Оценка эффективности исследования
4.8 Экономическая эффективность
ГЛАВА 1. ДВУХФАЗНЫЕ ТЕЧЕНИЯ В ОБЛАСТИ МИНИКАНАЛА. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 16
1.1 Гидродинамика двухфазных газожидкостных течений в каналах
различного сечения 16
1.2 Термокапиллярные явления в нагреваемом плоском слое
жидкости 38
1.3 Тепломассообмен пленки жидкости и потока газ 47
ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКОЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ОБЛАСТИ МИНИКАНАЛА 54
2.1 Физическое моделирование 54
2.1.1 Описание экспериментального стенда 54
2.1.1.1 Рабочий участок 56
2.1.1.2 Оптическая система 58
2.1.2 Методика проведения эксперимента 59
2.1.2.1 Область изменения основных факторов 59
2.1.2.2 Контроль плоской границы раздела «газ-жидкость»...61
2.1.2.3 Измерение средней скорости испарения 61
2.1.2.4 Оценка погрешности измерений 63
2.1.2.5 Свойства рабочей жидкости и газа 66
2.2 Численное моделирование 66
2.2.1 Математическая постановка задачи 66
2.2.2 Дискретная модель 69
2.2.3 Методика определения массовых потоков газа и пара 75
ГЛАВА 4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ,
РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования
4.2 Причинно-следственная диаграмма Исикава
4.3 SWOT-анализ
4.4 Обоснование выбора исследования
4.5 Определение перечня работ и оценка времени на их выполнение...
4.6 Бюджет научного исследования
4.7 Оценка эффективности исследования
4.8 Экономическая эффективность
Интенсивность теплообмена между средами в различных технических системах во многом определяет их эффективность. За время развития промышленности теплообменные аппараты существенно изменились, в частности теплосъем с единицы массы или объема постоянно возрастает. Для примера можно взять кожухотрубные испарители холодильных систем, теплосъем в которых за последние 50 лет увеличился почти на порядок.
Данный результат, есть следствие применения различных инновационных конструктивных решений и труб с меньшей толщиной. Очевидно, что дальнейшим шагом является применение миниканальных систем [1], так как миниатюризация устройств является одним из способов интенсификации фазового перехода [2].
В настоящее время увеличивается число исследований в области тепломассообмена [3-8] и гидродинамики течений [9-12] в области миниканалов. Возрастает необходимость в установках, способных передавать большие тепловые потоки в ограниченном пространстве и объеме. Подобные установки нашли применение во многих отраслях промышленности: атомной энергетике, химии, нефтехимии, микроэлектронике, аэрокосмической индустрии, в микроэлектромеханических устройствах для биологических и химических исследований [13-14], в технических устройствах, в которых главным требованием является возможность охлаждения различных сред в ограниченном пространстве [14].
Миниканальные установки обеспечивают прочность конструкции аппаратов, высокую интенсивность теплообмена, а использование их в различных агрегатах позволяет существенно сократить объемы рабочих жидкостей, находящихся в системах [15].
Для более широкого применения микроканальных теплообменников необходимы дальнейшие фундаментальные исследования. Большое значение имеет понимание гидродинамики и теплообмена в двухфазных системах с фазовыми переходами, которые обеспечивают наиболее эффективную работу процессов тепломассопереноса в энергетических установках.
Актуальность исследования
Результаты исследований гидродинамики и тепломассообменных процессов при совместном движении жидкости и газа имеют важное научное и практическое значение. Теплообменные системы с микро- и наноразмерами, оказываются гораздо энергоэффективнее, чем макросистемы с размерами каналов 3 - 200 мм. Величина отводимых тепловых потоков в создающихся микротеплообменниках может достигать 10 Вт/см и более [7].
Работы направленные на исследование режимов течения и теплообмена при кипении и конденсации в трубах относительно большого диаметра, не могут быть прямо использованы для течений в микро- и миниканалах. Это связано с тем, что в каналах малого размера преобладают капиллярные силы, которые определяют режим течения и теплообмена [13].
Большинство работ ориентированы на исследования гидродинамики течений [3,5,16-47], возникновения различного рода неустойчивостей на межфазной границе [48-57], исследованию кипящего потока в миниканале [58-60].
В случае, когда пеленка жидкости находится под воздействием источника тепла на подложке, основным механизмом теплообмена между жидкой и газовой фазами становится испарение. Работ посвященных изучению взаимодействия испарения и конвекции при движении двухфазных потоков в миниканале недостаточно [3-8]. Недостаточное количество работ посвященных изучению тепломассопереноса при движении двухфазного потока в области миниканала затрудняет оценку полученных экспериментальных данных [61-62], а существующие теоретические модели включают различные параметры, которые мы может определить по косвенным признакам, но в области миниканала это становится непреодолимым препятствием. Для решения данных проблем применяется численное моделирование, при помощи которого оцениваются полученные значения в эксперименте. Поэтому приходится привлекать математические модели для того, чтобы из численного моделирования добыть те сведения, которые помогут нам определить наилучшие условия для проведения эксперимента и верифицировать используемую экспериментальную методику.
Учитывая вышесказанное, следует необходимость фундаментальных исследований, учитывающих физические механизмы, влияющие на тепломассообмен при течении двухфазных потоков в миниканале.
Цель работы: численное и физическое моделирование двухфазного течения в миниканале, для определения влияния температуры и скорости потока газа, на динамику испарения пленки жидкости.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Проведение обзора научных публикаций по тематике тепломассопереноса при движении двухфазного потока в миниканалах.
2. Адаптация методики экспериментальных исследований [63] с учетом особенностей данной установки, для изучения влияния температуры и скорости газа на динамику испарения пленки жидкости.
3. Проведение серии экспериментов.
4. Разработка математической, физической, геометрической и дискретной моделей, для реализации поставленной задачи численным способом.
5. Анализ полученных экспериментальных и численных результатов. Определение временных характеристик стационарного состояния, погрешностей при физическом моделировании.
Объект исследования - тонкая пленка этилового спирта, обдуваемая потоком воздуха.
Предмет исследования - тепломассоперенос в условиях испарения неподвижной пленки жидкости в миниканале под действием потока газа при различных температурах и скоростях газа.
Личный вклад автора состоит в выборе методов исследования, проведении серии экспериментов, создании программы на языке высокого уровня, обсуждении, обобщении и обработке полученных результатов.
Достоверность результатов подтверждается оценками систематических и случайных погрешностей, проведением предварительных экспериментов, и системой повторяемости серии экспериментальных исследований.
Данный результат, есть следствие применения различных инновационных конструктивных решений и труб с меньшей толщиной. Очевидно, что дальнейшим шагом является применение миниканальных систем [1], так как миниатюризация устройств является одним из способов интенсификации фазового перехода [2].
В настоящее время увеличивается число исследований в области тепломассообмена [3-8] и гидродинамики течений [9-12] в области миниканалов. Возрастает необходимость в установках, способных передавать большие тепловые потоки в ограниченном пространстве и объеме. Подобные установки нашли применение во многих отраслях промышленности: атомной энергетике, химии, нефтехимии, микроэлектронике, аэрокосмической индустрии, в микроэлектромеханических устройствах для биологических и химических исследований [13-14], в технических устройствах, в которых главным требованием является возможность охлаждения различных сред в ограниченном пространстве [14].
Миниканальные установки обеспечивают прочность конструкции аппаратов, высокую интенсивность теплообмена, а использование их в различных агрегатах позволяет существенно сократить объемы рабочих жидкостей, находящихся в системах [15].
Для более широкого применения микроканальных теплообменников необходимы дальнейшие фундаментальные исследования. Большое значение имеет понимание гидродинамики и теплообмена в двухфазных системах с фазовыми переходами, которые обеспечивают наиболее эффективную работу процессов тепломассопереноса в энергетических установках.
Актуальность исследования
Результаты исследований гидродинамики и тепломассообменных процессов при совместном движении жидкости и газа имеют важное научное и практическое значение. Теплообменные системы с микро- и наноразмерами, оказываются гораздо энергоэффективнее, чем макросистемы с размерами каналов 3 - 200 мм. Величина отводимых тепловых потоков в создающихся микротеплообменниках может достигать 10 Вт/см и более [7].
Работы направленные на исследование режимов течения и теплообмена при кипении и конденсации в трубах относительно большого диаметра, не могут быть прямо использованы для течений в микро- и миниканалах. Это связано с тем, что в каналах малого размера преобладают капиллярные силы, которые определяют режим течения и теплообмена [13].
Большинство работ ориентированы на исследования гидродинамики течений [3,5,16-47], возникновения различного рода неустойчивостей на межфазной границе [48-57], исследованию кипящего потока в миниканале [58-60].
В случае, когда пеленка жидкости находится под воздействием источника тепла на подложке, основным механизмом теплообмена между жидкой и газовой фазами становится испарение. Работ посвященных изучению взаимодействия испарения и конвекции при движении двухфазных потоков в миниканале недостаточно [3-8]. Недостаточное количество работ посвященных изучению тепломассопереноса при движении двухфазного потока в области миниканала затрудняет оценку полученных экспериментальных данных [61-62], а существующие теоретические модели включают различные параметры, которые мы может определить по косвенным признакам, но в области миниканала это становится непреодолимым препятствием. Для решения данных проблем применяется численное моделирование, при помощи которого оцениваются полученные значения в эксперименте. Поэтому приходится привлекать математические модели для того, чтобы из численного моделирования добыть те сведения, которые помогут нам определить наилучшие условия для проведения эксперимента и верифицировать используемую экспериментальную методику.
Учитывая вышесказанное, следует необходимость фундаментальных исследований, учитывающих физические механизмы, влияющие на тепломассообмен при течении двухфазных потоков в миниканале.
Цель работы: численное и физическое моделирование двухфазного течения в миниканале, для определения влияния температуры и скорости потока газа, на динамику испарения пленки жидкости.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Проведение обзора научных публикаций по тематике тепломассопереноса при движении двухфазного потока в миниканалах.
2. Адаптация методики экспериментальных исследований [63] с учетом особенностей данной установки, для изучения влияния температуры и скорости газа на динамику испарения пленки жидкости.
3. Проведение серии экспериментов.
4. Разработка математической, физической, геометрической и дискретной моделей, для реализации поставленной задачи численным способом.
5. Анализ полученных экспериментальных и численных результатов. Определение временных характеристик стационарного состояния, погрешностей при физическом моделировании.
Объект исследования - тонкая пленка этилового спирта, обдуваемая потоком воздуха.
Предмет исследования - тепломассоперенос в условиях испарения неподвижной пленки жидкости в миниканале под действием потока газа при различных температурах и скоростях газа.
Личный вклад автора состоит в выборе методов исследования, проведении серии экспериментов, создании программы на языке высокого уровня, обсуждении, обобщении и обработке полученных результатов.
Достоверность результатов подтверждается оценками систематических и случайных погрешностей, проведением предварительных экспериментов, и системой повторяемости серии экспериментальных исследований.