АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЖИДКИХ ПЛЕНОК 7
1.1 Современное состояние исследований 7
1.2 Экспериментальные установки 7
1.3 Методы локальных измерений гидродинамических параметров 11
1.3.1 Измерение локальной толщины пленки 11
1.3.2 Измерение локальных скоростей 19
1.3.3 Измерение локального касательного напряжения на стенке 25
1.4 Применение жидких пленок 28
1.4.1 Пленочные абсорберы 30
1.4.2 Пленочные ректификационные аппараты 33
1.4.3 Пленочные реакторы 34
Выводы по разделу 1 38
2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 39
2.1 Исследование математической модели течения тонкого слоя вязкой
жидкости 39
Выводы по разделу 2 42
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК 43
3.1 Вывод аналитических зависимостей для частоты и инкремента 43
3.2 Критические режимы течения 43
3.3 Сравнение теоретических расчетов с экспериментальными данными .... 44
3.4 Вычислительные эксперименты 45
3.4.1 Исследование неустойчивости жидкой пленки 45
3.4.1.1 Случай свободного стекания пленки 46
3.4.1.2 Случай прямотока 50
3.4.1.3 Случай противотока 54
3.4.1.4 Сравнительный анализ результатов экспериментов для
случаев свободного стекания пленки, прямотока и противотока 58
3.4.2 Исследование влияния высоких градиентов температуры 63
Выводы по разделу 3 68
4 ОТКЛОНЕНИЕ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКОЙ ПЛЕНКИ ОТ
НЕВОЗМУЩЕННОГО СОСТОЯНИЯ 71
4.1 Уравнение свободной поверхности жидкой пленки 71
4.2 Вычислительные эксперименты 72
4.2.1 Исследование течения пленки в случаях свободного стекания
пленки, прямотока и противотока 72
4.2.2 Исследование режимов течения, соответствующих различным
значениям числа Рейнольдса 74
4.2.3 Исследование влияния высоких градиентов температуры 76
Выводы по разделу 4 80
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 82
Актуальность работы. Под пленочным течением подразумевается стекание слоя жидкости по крайней мере с одной свободной границей под действием сил тяжести, касательного напряжения и другого [1]. Исследования пленочных течений обусловлено в первую очередь их прикладным значением. Малое термосопротивление и большая поверхность контакта при малых удельных расходах жидкости делают пленку жидкости весьма эффективным средством в процессах межфазного тепломассообмена [1]. Можно отметить, что пленки широко применяются в массообменных аппаратах, таких как абсорберы, ректификационные колонны, кристаллизаторы, электролизеры. В холодильной технике пленочные теплообменники используются в качестве конденсаторов хладоагентов. В химической технологии и пищевой промышленности водяные пленки служат для охлаждения серной кислоты, молочных продуктов, рассола при получении соды.
Цель работы - исследование методами численного моделирования волновых характеристик и процесса течения тонкого слоя жидкости в условиях свободного стекания пленки, прямотока и противотока при умеренных числах Рейнольдса ( Rе < 1 5 ), а также влияния высоких градиентов температуры на характеристики течения.
Для реализации поставленной цели решаются следующие задачи:
1) Исследование математической модели течения тонкого слоя вязкой жидкости: сведение системы уравнений в частных производных к уравнению свободной поверхности жидкой пленки в тепломассообменных процессах конденсации и испарения.
2) Получение аналитических зависимостей для волновых характеристик (инкремента, частоты, фазовой скорости) и критических значений числа Марангони.
3) Переход от уравнения свободной поверхности жидкой пленки к уравнению в конечных разностях.
4) На основе результатов, полученных при решении задач 2) и 3), разработка утилит для расчета волновых характеристик и численного моделирования процесса течения тонкого слоя жидкости.
5) Проведение вычислительных экспериментов с целью численного исследования волновых характеристик и процесса течения жидкой пленки.
Новизна работы. Осуществлено исследование влияния высоких градиентов температуры на характеристики течения при помощи методов численного моделирования.
Практическая значимость. Результаты работы можно использовать при проектировании пленочных аппаратов и устройств, таких как пленочные ректификаторы, абсорберы, конденсаторы и других, а также при разработке технологических процессов в жидких пленках.
В рамках представленной математической модели течения тонкого слоя вязкой жидкости получены следующие результаты:
1) Выведены аналитические зависимости для волновых характеристик частоты, инкремента, фазовой скорости.
2) Осуществлен переход к конечно-разностному уравнению состояния свободной поверхности вертикальной жидкой пленки.
3) Разработаны утилиты для расчета волновых характеристик жидкой пленки и численного моделирования процесса развития возмущений во времени на её свободной поверхности.
4) Проведены вычислительные эксперименты по расчету волновых характеристик пленки воды для умеренных чисел Рейнольдса:
- определены области неустойчивости вертикальной пленки воды;
- расчетные значения инкремента и фазовой скорости показали хорошее совпадение с экспериментальными данными и теоретическими результатами работ [3, 51, 52];
- выделены оптимальные режимы течения пленки, которые с наибольшей вероятностью фиксируются в экспериментах [1, 10].
5) Рассчитано состояние свободной поверхности жидкой пленки при воздействии ряда физико-химических факторов (градиентов температуры, нерастворимых поверхностно активных веществ).
Результаты работы могут быть использованы при проектировании пленочных аппаратов и устройств, таких как пленочные ректификаторы, абсорберы, конденсаторы и других, а также при разработке технологических процессов в жидких пленках.
