Термокапиллярный разрыв стекающей пленки жидкости

Зайцев Д.В., Кабов О.А.

Институт теплофизики СО РАН, Новосибирск, Россия

Выполнено систематическое экспериментальное исследование разрыва недогретой пленки жидкости, стекающей по плоской поверхности с неоднородным нагревом. Использовались прямоугольные нагреватели различных размеров: локальные нагреватели с размерами 6.7(вдоль потока)´68(поперек потока), 6.5´13, 4´68 и 2.2´68 мм; а также нагреватель размером 150´150 мм. В качестве рабочих жидкостей использовались: вода; растворы этилового спирта в воде с концентрацией по массе 10% и 25%; диэлектрические жидкости MD-3F и FC-72, а также 50% раствор глицерина в воде. Основные режимные параметры эксперимента и соответствующие диапазоны их изменения: число Рейнольдса пленки, Re=0.2¸44 (Re=G/m, где G- удельный массовый расход жидкости, m- динамическая вязкость жидкости); тепловой поток на нагревателе, q=0¸23 Вт/см²; угол наклона пластины к горизонту, Q=3¸90°. В части экспериментов на нагревателе 150´150 мм использовался специальный подвижный пленкоформирователь, позволяющий изменять расстояние от сопла до нагревателя, Xn, в пределах 41.5¸200 мм. При этом изменялась интенсивность гидродинамического волнообразования на поверхности пленки в области нагревателя. В части экспериментов, нагреватель 150´150 мм покрывался специальной пастой, что позволяло варьировать краевой угол смачивания. Для всех рабочих жидкостей и рабочих поверхностей равновесные краевые углы смачивания были измерены методом «Пузыря» [1]. Значения краевых углов лежат в диапазоне 11.4¸49°. Тепловой поток определялся по электрической мощности, подаваемой на нагреватель, и контролировался по разности температур на термопарах, заделанных в нагреватель. В экспериментах для заданного расхода жидкости, тепловой поток на нагревателе медленно увеличивался до тех пор, пока на нагревателе не образовывалось первое устойчивое сухое пятно. Данный момент принимался за разрыв пленки.

Локальные нагреватели располагались в области гладкого, безволнового течения пленки. На локальных нагревателях появлению сухих пятен предшествует формирование «регулярных структур» и их эволюция [2]. Т.е. при определенном, пороговом значении теплового потока, на поверхности пленки в области верхней кромки нагревателя возникает горизонтальный вал, а на нагревателе течение разбивается на регулярно стекающие струи и тонкую пленку между ними. Сухие пятна появляются при дальнейшем увеличении теплового потока в областях тонкой пленки между струями. Струи ограничивают распространение сухих пятен по нагревателю в поперечном направлении.

Нагреватель 150´150 мм располагался в области волнового течения пленки. 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. Установлено, что расстояние между соплом и нагревателем определяет интенсивность гидродинамического волнообразования при сравнительно малых тепловых потоках, но не оказывает заметного влияния на тепловой поток, при котором происходит разрыв пленки, поскольку сухие пятна образуются в области тонкой пленки между струями, где пленка перед разрывом практически всегда гладкая. Показано, что, в отличие от разрыва изотермической пленки жидкости, где определяющую роль играют силы смачивания, и краевой угол является основным параметром, определяющим критическую толщину пленки [3], разрыв неизотермической пленки жидкости определяется термокапилярными силами и не зависит от краевого угла смачивания.

Было обнаружено, что тепловой поток, при котором происходит разрыв пленки, q_idp, существенно зависит от продольного размера нагревателя, L. На рисунке представлено обобщение данных по термокапиллярному разрыву пленки на различных нагревателях. Используются данные, полученные в настоящей работе, данные [4] на локальном нагревателе, а также данные [5-7] на вертикальных трубах длиной 0.6-2.2 м. Для обобщения использован критерий разрыва Kp=-q_idp (ds/dT)/lr(gn)^2/3, где s- поверхностное натяжение, T- температура, n- кинематическая вязкость, а r- плотность жидкости. По оси абсцисс отложено число Рейнольдса остаточного слоя (участок пленки между крупными волнами), Re_res. Использование Re_res вместо Re позволило учесть влияние изменения гидродинамических характеристик течения пленки при изменении длины пробега пленки и расхода жидкости, в результате чего данные по разрыву пленки в диапазоне чисел Рейнольдса 0.2-1500 и размеров нагревателя 2-2200 мм удалось обобщить единой степенной зависимостью.

Подпись к рисунку:

Нагреватель 150х150 мм. вода: 1-Xn=43 мм, 2- Xn=50 мм, 3-Xn=120мм, 4-Xn=200 мм, 5-Xn=120мм (на пасте); 6-10% раствор спирта в воде, Xn=120; 7- 50% раствор глицерина в воде, Xn=200 мм. Локальные нагреватели. 8- 6.7х68 мм, 10% раствор спирта в воде, Xn=43 мм; 9- 4х68 мм, MD-3F, Xn=42 мм, Q=4¸90°; 10- 4х68 мм, Xn=56 мм, MD-3F, Q=4¸90°. Нагреватель 6.5х13 мм, Xn=43 мм: 11- вода; 12- 25% раствор спирта в воде, 13- MD-3F; 14- 25% раствор спирта в воде, Q=4°. 15- нагреватель 6.5х38 мм, Xn=300 мм, вода [4]. Трубы, Xn=0. [5]: 16- 1 м, вода; 17- 2.2 м, вода; 18- 2.2 м, спирт. 19- 0.6 м, вода, [6]. 20- 1 м, вода, [7]. X_dp- расстояние от верхней кромки нагревателя до точки разрыва, Pr- число Прандтля.