Оглавление
Введение..................................................................... 5
^ Актуальность работы.......................................................—
^ Цели работы.............................:................................ 6
^ Научная новизна.......................................................... 7
^ Практическое значение.....................................................—
^ Достоверность результатов................................................ 8
^ На защиту выносятся.......................................................—
^ Апробация работы......................................................... 9
^ Публикации................................................................—
^ Личный вклад автора.......................................................—
• ^ Объём работы.............................................................10
Глава 1. Обзор литературы, посвященной исследованию плёночных течений.......................................................................—
1.1. Волновые плёнки жидкости.................................................—
1.2. Ривулетное течение......................................................15
1.3. Течение плёнок жидкости в структурных насадках.........................21
1.4. Экспериментальные методы исследования плёночных течений.................24
Глава 2. Методы исследования плёночных течений, использованные
в рабо те....................................................................28
2.1. Теневой метод............................................................—
2.1.1. Принцип работы и схема теневого метода...............................—
2.1.2. Достоинства и ограничения теневого метода...........................30
2.2. Метод на основе волоконно-оптических датчиков............................—
2.2.1. Принцип метода на основе волоконно-оптических датчиков...............—
2.2.2. Схема метода на основе ВОД..........................................31
2.2.3. Калибровка ВОД.......................................................—
2.2.4. Расчёт толщины плёнки...............................................33
2.2.5. Достоинства и недостатки метода на основе ВОД.......................34
2.3. Метод Р1У................................................................—
2.3.1. Схема метода Р1У в применении к исследованию ривулетного течения......................................................................
■ 2.3.2. Оптические искажения, связанные с межфазной поверхностью
раздела....................................................................36
2.3.3. Коррекция оптических искажений......................................37
2
2.3.4. Погрешности измерений методом Р1У................................ 39
2.3.5. Достоинства и ограничения метода Р1V................................—
2.4. Метод лазерно индуцированной флуоресценции, ЫИ.........................40
2.4.1. Принцип работы и схема метода ЫР при исследовании
ривулетного течения на вертикальной пластине...............................—
2.4.2. Процедура калибровки и обработки первичного изображения
в методе Ь1Р..............................................................41
2.4.3. Источники погрешности метода ЫР....................................42
2.4.4. Достоинства и ограничения метода ЫГ.................................—
^ Применимость использованных в работе экспериментальных
методов исследования........................................................43
Глава 3. Исследование ривулетного течения по внешней части наклонного цилиндра..........................................................—
3.1. Течение ривулета при обдуве потоком газа................................—
3.1.1. Ривулетное течение по внешней части наклонного цилиндра.............—
3.1.2. Условия эксперимента и режимные параметры..........................44
3.1.3. Режимы течения. Сонаправлсниый и противогочный
режимы течения............................................................46
3.1.4. Влияние скорости газа на средние характеристики течения............48
3.1.5. Влияние скорости газа на форму волн................................49
3.1.6. Регулярные волны в условиях обдува сонаправлеиным потоком газа.... 51
3.2. Измерения поля скорости в волновом ривулете............................54
3.2.1. Распределение скорости в гребнях регулярных волн....................—
3.2.2. Условия эксперимента и режимные параметры..........................55
3.2.3. Влияние коррекции оптических искажений на распределение
поля скорости.............................................................56
3.2.4. Профили продольной компоненты скорости.............................57
3.2.5. Профили поперечной компоненты скорости.............................60
3.2.6. Мгновенное поле скорости в волне большой амплитуды..................—
3.2.7. Положение центра вихря в волне.....................................62
3.2.8. Поле скорости в случае большего угла наклона.......................63
^ Основные результаты исследований ривулетного течения на
наклонном цилиндре..........................................................64
Глава 4. Волновое движение ривулегов, стекающих но вертикальной пластине....................................................................65
3
4.1. Стационарный ривулет на вертикальной плоскости.......................—
4.2. Экспериментальная установка и условия эксперимента..................66
4.3. Гладкий ривулет. Случай малого контактного угла.....................67
4.4. Режимные карты ривулетного течения..................................69
4.5. Виды волн на ривулете. Случай малого контактного угла...............70
4.6. Развитые регулярные волны...........................................71
4.7. Расширение ривулстов вниз по потоку с изменением частоты
возбуждения............................................................72
4.В. Виды волн на ривулете. Случай большого контактного угла.............74
^ Результаты исследования ривулетного течении на плоской пластине
в случаях малого и большого контактных углов...............................77
Глава 5. Распределение жидкости в колонне со структурными
насадками..................................................................78
5.1. Малая модель ректификационной колонны................................—
5.2. Параметры структурной насадки........................................—
5.3. Схема и работа гидродинамического стенда............................79
5.4. Измерительная система...............................................81
5.5. Карта режимов........................................................—
5.6. Перепад давления в колонне..........................................82
5.7. Регулярные геометрические ячейки....................................83
5.8. Течение плёнки этанола в краевой ячейке.............................84
5.9. Измерения в центральной области колонны..............................—
5.10. Влияние расходных характеристик на распределение плёнки
на ребре в элементарной геометрической ячейке..........................85
5.11. Влияние расходных характеристик на распределение плёнки
в ложбине, на «донном» и «потолочном» склонах в элементарной.............
геометрической ячейке..................................................87
5.12. Гистерезис толщины плёнки в области точек контакта пластин..........88
5.13. Распределение толщины в поперечном сечении колоши,!.................89
^ Основные результаты исследования распределения плёнки
жидкости на структурной насадке............................................90
Заключение..................................................................—
Список использованных обозначений..........................................92
Список использованной литературы...........................................94
4
Введение
S Актуальность работы:
Одним из широко распространённых в природе и технике видов течения жидкости является плёночное течение. Сложный характер плёночных течений определяется множеством факторов, среди которых - физические свойства жидкости, геометрические параметры поверхности, по которой течёт плёнка, наличие контактных линий, касательные напряжения на межфазных поверхностях раздела, волновые процессы Fia свободной поверхности плёнки. Малое термическое сопротивление плёнок жидкости и большая поверхность контакта, при малых удельных расходах жидкости, определяют высокую интенсивность процессов тепло и мас-сообмена. При этом существенная интенсификация процессов переноса возникает при наличии волн на поверхности плёнки. Эти качества плёночных течений широко используются в различных технологических процессах и промышленных ус-тановках. Плёночные течения применяются в ряде массообменных аппаратов, таких как ректификационные колонны, абсорберы, испарители, кристаллизаторы, а также в холодильной технике - теплообменниках и охладителях. Широко применяются плёнки жидкости в химической и пищевой промышленности. В последнее время возрастает интерес к технологиям формирования пленочных течений мри струйной обработке поверхностей.
Характерной особенностью пленочных течений является неустойчивость по отношению к внешним возмущениям. Вследствие этого на поверхности плёнок практически всегда реализуется волновое движение. Широкий набор параметров, влияющих на течение, обуславливает сложность построения математических моделей, описывающих движение плёнок жидкости. Поэтому обычно, теоретическое описание плёночных течений требует дополнительных приближений и допущений, а, соответственно, возникает потребность в подробной экспериментальной информации.
Большинство теоретических работ посвящено исследованию гладких пленочных течений на поверхностях различной геометрии (наклонная плоскость, цилиндр, шар, конус, профилированные или как их называют - развитые поверхности и др.). Теоретические исследования волновых процессов на плёнках, в большинстве случаев, касаются двумерных режимов, в то время как на практике гораздо чаще реализуются волны с трёхмерной структурой, что существенно осложняет расчёты. Большое число экспериментальных работ посвящено формированию и разви-
тию естественных и возбуждённых волн на двумерных плёнках жидкости в канонических условиях (наклонная плоскость, вертикальный цилиндр и др.). Вместе с тем, необходимость развития современных промышленных плёночных аппаратов требует детального теоретического и экспериментального описания физических процессов в ситуациях, когда плёночные течения реализуются в существенно усложнённых условиях, например, стскание пленок по геометрически сложным поверхностям, наличие контактных линий, произвольно ориентированного газового потока. Среди таких процессов можно выделить течение плёнок жидкости в структурных насадках, собранных из трёхмерных профилированных поверхностей, ривулетные (ручейковые) течения различной конфигурации. Несмотря на наличие многочисленных работ, посвящённых исследованию интегральных и локальных характеристик пленочных течений, для ряда задач, перечисленных выше, экспериментальные данные, представленные в литературе, ограничены. Экспериментальное исследование плёнок жидкости в усложнённых условиях, затруднено в силу высоких требований предъявляемых к организации эксперимента и возможностям методов измерения. В данной работе представлены результаты по исследованию ряда экспериментальных задач с различными подходами при организации эксперимента. Так, в случае плёночного течения по профилированной поверхности был применён новый метод измерения локальной толщины плёнки жидкости внутри малой модели реального технологического устройства. В случае ривулетного течения, исследования проводились на геометрически более простых поверхностях (наклонном цилиндре и вертикальном плоскости), как условно выделенных локальных областях реальных технологических устройств, но с применением полевых методов для измерения характеристик волнового движения плёнок жидкости.
S Цели работы:
- изучение влияния скорости и направления потока газа на волновые характеристики ривулетного течения по внешней поверхности наклонного цилиндра;
- исследование структуры внутреннего течения в волновом ривулете на внешней поверхности наклонного цилиндра с использованием адаптированного метода Particle Image Velocimetry;
- исследование волнового движения ривулетов, стекающих по вертикальной
пластине при различных значениях контактных углов смачивания и чисел Рейнольдса;
- изучение влияния режимных параметров на локальное распределение жидкости внутри типичной геометрической области сложной развитой поверхности (структурной насадки) с использованием метода измерения локальной толщины плёнки жидкости па основе волоконно-оптических датчиков.
^ Научная новизна:
- исследовано влияние скорости потока газа на характер регулярных волн ривулетного течения и получены количественные данные о гидродинамических характеристиках ривулетного течения в условиях обдува сонаправлснным потоком газа;
- впервые для исследования структуры распределения скорости внутри регулярных волн на ривулетс применён метод Р1У и разработана процедура коррекции оптических искажений вызванных наличием межфазной поверхности;
- впервые экспериментально зафиксировано существование вихревого движения внутри регулярных волн на поверхности ривулетного течения;
- с применением метода ЫР проведены полевые измерения локальной толщины волнового ривулета на вертикальной пластине и получены новые данные о структуре возбуждённых волн па поверхности ривулетов для различных значений контактных углов смачивания;
- применён новый метод измерения локальной толщины плёнки жидкости на основе волоконно-оптических датчиков, позволивший получить данные о распределении жидкости в геометрически сложной, закрытой от прямого наблюдения области;
- впервые экспериментально получено локальное распределение жидкости внутри геометрической ячейки структурной насадки и изучено влияние режимных параметров на это распределение.
^ Практическое значение:
Полученный в работе объем экспериментальных данных позволяет проводить оптимизацию конструкций ряда аппаратов энергетики и химической технологии, где используются пленочные и ривулетные течения — теплообменников различных конфигураций, массообменных устройств (абсорберы,
7
ректификационные колонны). Анализ результатов проведенных исследований открывает дополнительные возможности для модификации и верификации математических моделей пленочных и ривулетных течений с учетом реальных физических закономерностей. Усовершенствованные и примененные в работе экспериментальные методики могут найти дальнейшее использование в гидродинамическом эксперименте по изучению структуры трехмерных пленочных течений в усложненных условиях (наличие контактной линии, геометрически сложные поверхности, наличие газового потока).
<г
^ Достоверность результатов:
основывается на использовании отработанных методов экспериментальных исследований и на тщательных калибровках новых методов измерения, проводимых отдельно на объектах с известными физическими свойствами и размерами. Для повышения точности, в экспериментах применялось условное осреднение на основе многократно повторяющихся измерений.
Результаты работы хорошо согласуются с данными известных экспериментальных и теоретических работ.
^ На защиту выносятся:
- адаптация методов РТУ и 1ЛР к полевым исследованиям волновой структуры трёхмерных плёнок жидкости - ривулетов;
- результаты экспериментального исследования ривулстного течения по внешней части наклонного цилиндра в условиях обдува потоком газа;
- результаты экспериментального исследования распределения поля скорости в гребнях развитых регулярных волн на ривулетах стекающих но внешней части наклонного цилиндра;
- экспериментальные результаты по изучению волнового движения ривулетов па вертикальной пластине в зависимости от значения контактного угла смачивания;
- опыт практического использования метода измерения локальной толщины плёнки жидкости на основе волоконно-оптических датчиков (ВОД);
- результаты экспериментального исследования распределения жидкости в элементарной ячейке струк турной насадки.
8
- Київ+380960830922