ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОЙ ПЛЕНКИ В ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ АППАРАТАХ ПРИ МАЛЫХ ЧИСЛАХ РЕЙНОЛЬДСА

Людмила Александрова Прокудина, Михаил Павлович Вихирев

Аннотация


Введение. Тепломассообменные аппараты, в которых реализуется течение тонких слоев вязких жидкостей, широко применяются в различных областях промышленности (химической, нефтехимической, энергетической, пищевой и др.). Эффективность использования пленочных аппаратов (пленочные ректификаторы, абсорберы, парогенераторы и др.) связана с большой поверхностью контакта при малых удельных расходах жидкости.

Цель работы. Численное исследование волновых характеристик течения тонкого слоя вязкой жидкости в условиях свободного стекания пленки и испарения жидкости.

Материалы и методы. В работе представлены результаты численного моделирования течения вертикальной жидкой пленки воды со свободной поверхностью при малых числах Рейнольдса в рамках дифференциального уравнения в частных производных для отклонения свободной поверхности пленки от невозмущенного состояния. Коэффициенты уравнения включают различные физико-химические факторы, в частности, параметр поверхностного натяжения, параметр влияния градиентов температуры. Представлена аналитическая зависимость для критических значений параметра Марангони. Течение жидкой пленки исследовано как при свободном стекании, так и при испарении. Учтено влияние в пленке жидкости градиентов температуры, приводящих к расширению области неустойчивости и изменяющих параметры волнового течения жидкой пленки (частоту, инкремент, фазовую скорость). Для расчета волновых параметров, областей неустойчивости жидких пленок используется утилита, разработанная на языке C++.

Результаты. Проведены вычислительные эксперименты для вертикальной пленки воды как в режиме свободного стекания, так и в процессе испарения. В результате вычислительных экспериментов выделены режимы течения жидкой пленки с максимальным значением инкремента, такие режимы зафиксированы в экспериментальных исследованиях других ученых. Рассчитаны критические значения параметра Марангони, при котором достигается эффект разрыва жидкой пленки.

Заключение. В условиях процесса испарения происходит увеличение значений инкремента и снижение фазовой скорости, что ускоряет эффект разрыва жидкой пленки в тепломассообменных аппаратах и образование на их поверхности «сухого пятна». Ввиду широкого распространения промышленных пленочных аппаратов, в которых используется испаряющаяся пленка (испарители, выпарные аппараты), исследование течений жидких пленок актуально, его результаты могут быть использованы  при конструировании или модернизации существующего оборудования, а также при разработке технологических процессов в жидких пленках.


Ключевые слова


жидкая пленка; испарение; неустойчивость; параметр Марангони; малые числа Рейнольдса

Полный текст:

PDF

Литература


Капица, П.Л. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости / П.Л. Капица // ЖЭТФ. – 1948. – Т. 18. – С. 3–28.

Капица, П.Л. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости / П.Л. Капица, С.П. Капица // ЖЭТФ. – 1949. – Т. 19. – С. 105–120.

Алексеенко, С.В. Волновое течение пленок жидкости / С.В. Алексеенко, В.Е. Накоряков, Б.Г. Покусаев. – Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1992. – 256 с.

Воронцов, Е.Г. Теплообмен в жидкостных пленках / Е.Г. Воронцов, Ю.М. Тананайко. – Киев: Техника, 1972. – 196 с.

Холпанов, Л.П. Гидродинамика и тепломассообмен с поверхностью раздела / Л.П. Хол¬панов, В.Я. Шкадов. – М.: Наука, 1990. – 271 с.

Shkadov, V.Ya. Wave flow regimes of a thin layer of viscous fluid subject to gravity / V.Ya. Shkadov // Fluid Dynamics. – 1967. – Vol. 2, No. 1. – P. 29–34.

Демехин, Е.А. О математических моделях теории тонких слоев вязкой жидкости / Е.А. Демехин, М.А. Каплан, В.Я. Шкадов // Известия АН СССР. МЖГ. – 1987. – № 6. – С. 73–81.

Scriven, L.E. The Marangoni effects / L.E. Scriven, C.V. Sternling // Nature. – 1960. – Vol. 187. – P. 186–188.

Прокудина, Л.А. Неустойчивость неизотермической жидкой пленки / Л.А. Прокудина, Г.П. Вяткин // Доклады Академии наук. – 1998. – Т. 362, № 6. – С. 770–772.

Прокудина, Л.А. Влияние неоднородности поверхностного натяжения на волновое течение жидкой пленки / Л.А. Прокудина // Инженерно-физический журнал. – 2014. – Т. 87, № 1. – С. 158–166.




DOI: http://dx.doi.org/10.14529/ctcr200311

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.