Двухфазное опускное течение жидкого азота в вертикальном прямоугольном канале

Печеркин Н.И., Павленко А.Н., Чехович В.Ю., Жуков В.Е., Серов А.Ф., Назаров А.Д.

Институт теплофизики СО РАН, Новосибирск, Россия

Хауптон П. А., Сандер С.

Аэр Продактс энд Кемикалс, Инк, Аллентаун, Пенс, США

Каналы с некруглым поперечным сечением широко используются для охлаждения оборудования в энергетике, микроэлектронике, ядерной технологии, авиационной и космической индустрии и многих других приложениях. Они охватывают широкий диапазон размеров от единиц и десятков микрометров до нескольких миллиметров. Чем меньше размер канала, тем больше наблюдается особенностей и отличий в закономерностях теплообмена и гидравлического сопротивления по сравнению с течением в каналах обычных размеров. Это справедливо как для однофазных течений, так и для процессов кипения и конденсации. В углах прямоугольных каналов возникают значительные силы поверхностного натяжения  вследствие малых радиусов кривизны, поэтому течение в них  отличается от течения в круглых трубах.

Опускное течение жидкости со спутным потоком пара или без него отличается от подъёмного течения тем, что при малых расходах жидкость течёт вниз по стенке в виде плёнки. Если расстояние между стенками канала сопоставимо с размером капиллярной постоянной, то вследствие действия сил поверхностного натяжения жидкость стягивается в углы канала.

В работе представлены результаты исследования опускного течения жидкого азота в вертикальном прямоугольном канале размером 2.6´7.1 мм². Течение жидкости осуществлялось как со спутным потоком пара, так и без него. Проводились визуализация, фото- и видеосъёмка режимов течения на стенках и в поперечном сечении канала, а также измерения толщины плёнки на широкой и узкой сторонах канала.

Исследования проводились в оптическом криостате, в котором имелось четыре окна для наблюдения режимов течения. Стенки рабочего участка были изготовлены из оргстекла. В верхней части входной камеры и в нижней части выходной камеры рабочего участка были установлены стеклянные окна для фотосъёмки поперечного сечения. Для измерения толщины плёнки на широкой и узкой стенках канала были установлены два емкостных датчика. Эксперименты проведены при атмосферном давлении. Диапазон чисел Рейнольдса для жидкой фазы от 200 до 2000, для паровой фазы от 0 до 20000. Этим числам Рейнольдса соответствовали скорости пара от 0 до 15 м/с. Числа Рейнольдса рассчитаны по приведённым скоростям фаз и гидравлическому диаметру канала.

Жидкость с малым расходом, без пара, на широкой стенке канала течет в виде плёнки с очень малой амплитудой и частотой волн. Значительная часть жидкости течёт в углах канала. Профили волновой поверхности и амплитудно-волновые спектры показывают существование двух независимых течений на широкой и узкой стенках с различными волновыми характеристиками и средней толщиной плёнки.  Поэтому локальные числа Рейнольдса , рассчитанные по приведенной скорости в действительности будут различны для широкой и узкой стенок.

Средняя толщина плёнки на широкой стенке с ростом расхода жидкости постепенно уменьшается за счёт аккумуляции жидкости в углах канала и на узкой стороне. При больших расходах толщина плёнки на узкой стенке в 2-3 раза превышает толщину плёнки на широкой стенке. Реальная толщина плёнки на широкой стенке канала становится в два раза ниже расчётной по теории Нуссельта за счёт указанных выше эффектов.

Существенное влияние спутного потока пара на структуру течения в канале начинается при скоростях, соответствующих числам Рейнольдса порядка 10000. Амплитуда волн на пленке на узкой стороне становится высокой даже при малых расходах пара. При больших скоростях пара волны на широкой и узкой сторонах начинают взаимодействовать между собой, появляются катящиеся волны большой амплитуды, которые иногда перекрывают всё сечение канала. Поперечный размер волн на широкой стенке канала уменьшается, а их частота возрастает. Волны большой амплитуды переносят жидкость с одной стороны на другую и выравнивают среднюю толщину плёнки по периметру канала. Выравнивание толщины плёнки происходит под действием потока пара при переходе к дисперсно-кольцевому режиму течения.