Измерение толщины нагреваемой стекающей пленки жидкости волоконно-оптическим датчиком

Зайцев Д.В., Кабов О.А.

Институт теплофизики СО РАН, Новосибирск, Россия

Разработан метод измерения мгновенной толщины стекающей пленки жидкости при помощи волоконно-оптического датчика отражательного типа, расположенного со стороны свободной границы пленки. Датчик состоит из двух световодов: зондирующего, из которого излучение направляется в сторону пленки, и приемного, в который попадает излучение, отраженное от поверхности пленки. Метод основан на зависимости интенсивности отраженного света от расстояния между отражающей поверхностью и датчиком. Размер светового пятна на поверхности пленки составляет 0.2-0.4 мм. Устройство датчика и методика измерений детально изложены в [1].

В первой серии экспериментов изучалось течение гладкой, безволновой пленки 10% раствора этилового спирта в воде, стекающей по пластине с нагревателем длиной (вдоль течения) 6.7 мм  и шириной (поперек течения) 68 мм. В отсутствии нагрева были проведены измерения толщины пленки для различных значений числа Рейнольдса (Re=0.6¸62; Re=G/m, где G- удельный массовый расход жидкости, m- динамическая вязкость жидкости) и углов наклона пластины к горизонту (Q=7, 17 и 90°). Совпадение с расчетом по формуле Нуссельта для толщины ламинарной пленки в пределах 5%. Включение нагревателя приводило к тому, что в области верхней кромки нагревателя формировался горизонтальный вал жидкости. При увеличении теплового потока толщина вала увеличивалась, и в определенный момент в пленке спонтанно возникали так называемые «регулярные структуры»: течение на нагревателе разбивалось на струи, стекающие с определенной длиной волны, и тонкую пленку между ними [2]. Были проведены измерения толщины пленки в вале и в области тонкой пленки между струями.

На рисунке представлены результаты измерений толщины пленки в области нагревателя непосредственно перед появлением «регулярных структур», а также, сразу после их появления (Q=90°, Re=2). Перед появлением «регулярных структур», утолщение пленки в вале составляет около 30% относительно начальной толщины h₀. Ниже вала по потоку пленка примерно на 10% тоньше, чем h₀, что связано, по-видимому, с уменьшением вязкости жидкости, находящейся в области нагревателем из-за ее прогрева. Сплошной линией на рисунке представлены данные по толщине пленки, полученные в работе [3] при помощи Шлирен метода, для тех же параметров эксперимента. Видно, что данные [3] удовлетворительно согласуются с данными настоящей работы. Как видно из рисунка, сразу же после формирования «регулярных структур», утолщение в вале увеличивается примерно до 60%. Его положение смещается вверх по потоку примерно на 1 мм. Толщина тонкой пленки на нагревателе между стекающими струями составляет около 60% от начальной толщины. Было установлено, что с дальнейшим увеличением теплового потока, утолщение в вале растет, и к моменту образования на нагревателе сухих пятен, достигает 100%. При уменьшении угла наклона пластины к горизонту, относительное утолщение пленки в вале уменьшается: при Q=4° сразу же после возникновения «регулярных структур» утолщение в вале составляет около 15%.

Во второй серии экспериментов проводилось исследование волнового течения пленки воды по вертикальной пластине с нагревателем 150´150 мм. Нагреватель располагался на расстоянии 120 мм от распределительного устройства. Число Рейнольдса составляло Re=22. В отсутствии нагрева были исследованы волновые характеристики стекающей пленки жидкости (амплитуда волн, длина волны, толщина остаточного слоя). Получено удовлетворительное соответствие с литературными данными.

Было обнаружено, что воздействие теплового потока на волновое течение пленки приводит к формированию в области нижней части нагревателя периодически стекающих струй и тонкой пленки между ними. Трехмерные волны распространяются вдоль гребней струй. При дальнейшем увеличении теплового потока, в области тонкой пленки между струями образуются сухие пятна.

Волоконно-оптический датчик устанавливался вблизи нижней кромки нагревателя в области между стекающими струями. Измерялись средняя толщина пленки, амплитуда волн, и толщина остаточного слоя в зависимости от теплового потока. Обнаружено, что с увеличением теплового потока средняя толщина пленки между струями плавно уменьшается, но при достижении h»0.5h₀, пленка внезапно разрывается. Т.о. процесс термокапиллярного разрыва пленки происходит в два этапа: 1) локальное утонение пленки под действием термокапиллярных сил; 2) резкий разрыв пленки после достижения ею в месте наибольшего утонения некоторой критической толщины, которая, по-видимому, соответствует разрыву пленки в изотермических условиях.

С увеличением теплового потока, амплитуда волн между струями уменьшается, что связано прежде всего с уменьшением в этой области локального расхода жидкости. При помощи датчика было установлено, что снижение амплитуды волн в межструйной области происходит более резко, чем этого требуют законы «холодной гидродинамики». Это не подтверждает результаты теоретического исследования [4], согласно которому при движении пленки жидкости по нагретой поверхности с неотрицательным градиентом температуры вдоль течения (в нашем случае реализуется положительный градиент), увеличение нагрева должно приводить к росту амплитуды волн. Данное несоответствие, по-видимому, может быть объяснено тем, что в [4] решалась двумерная задача, в то время как в нашем случае течение пленки имеет существенно трехмерный характер.

Подпись к рисунку:

1- q=2.51 Вт/см², непосредственно перед формированием «регулярных структур»; 2- q=2.63 Вт/см², сразу после формирования «регулярных структур»; 3- данные [3]. Положение нагревателя показано жирной горизонтальной линией. Капиллярная постоянная l_s=2.2 мм.