Двухфазные расслоенные течения: Эксперимент во взаимосвязи с теорией и численным моделированием

Течения пленок жидкости реализуются в разнообразных технологических процессах и установках различного назначения. Для таких течений характерно наличие волн на межфазной поверхности. При высоких расходах газа и жидкости происходит срыв капель с поверхности пленки и унос их в ядро газового потока. Для таких режимов характерны большая площадь межфазной поверхности (возмущенная поверхность пленки, поверхность капель в ядре газового потока и поверхность пузырьков газа, захваченных пленкой жидкости), высокая интенсивность перемешивания жидкости и существенные потоки тепла от стенок канала. Пленки существенным образом определяют режим теплопередачи в оросительных градирнях, абсорберах, скрубберах, ректификационных колоннах, испарителях, конденсаторах, аппаратах химической технологии, при движении парожидкостных смесей в трубах. Пленки применяют для защиты теплонапряженных конструкций, в штатных и аварийных режимах работы атомных реакторов, в трубопроводах при добыче и транспортировке нефти и газа, в параболо-цилиндрических солнечных коллекторах с прямой генерацией пара, и т.д. Область практических приложений пленочных течений непрерывно расширяется, что стимулирует постановку и проведение новых экспериментальных и теоретических исследований этого класса течений. В свою очередь, получение новых фундаментальных результатов стимулирует возникновение новых как экспериментальных, так и теоретических подходов и постановок задач. В связи с широким кругом приложений, сложностью и многомасштабностью волновых процессов при пленочных течениях жидкости, актуальность исследуемой проблемы несомненна и будет сохраняться на протяжении длительного времени. В Проекте-2016 было проведено экспериментальное и теоретическое исследования ряда пленочных течений. В том числе - трехмерная структура поверхности пленки и поперечные перетоки жидкости в пленках, стекающих под действием силы тяжести, нелинейная эволюция волн на поверхности тонких обдуваемых газом пленок жидкости, формирование и развитие волн на начальном участке дисперсно-кольцевого режима течения, переход к захлебыванию потока при противоточном течении жидкости и газа. Выполнено теоретическое описание исследуемых явлений, подтвержденное прямым сравнением с экспериментальными данными. Проект-2019 предполагает развитие результатов Проекта-2016 сразу по нескольким важным направлениям. Планируется дальнейшее развитие моделей, описывающих взаимодействие поверхности пленки с турбулентным потоком газа, включая отход от квазиламинарных приближений при моделировании возмущений касательных и нормальных напряжений со стороны газа. Особое внимание будет уделено случаю длинноволновых возмущений в каналах сравнительно малых размеров, для которых упомянутые приближения не работают. Планируется уточнение и развитие моделей описывающих возникновение и распространение волн на поверхности толстых обдуваемых газом пленок жидкости, с учетом трансформации профиля скорости в жидкости на начальном участке после выхода пленки из щели распределителя, рассмотрение последующих стадий нелинейной трехмерной эволюции начальных волн вниз по потоку Будет проанализировано влияние формы и размера канала, ориентации потока, свойств рабочей жидкости на формирование, развитие и распространение волн. Все теоретические модели будут проходить верификацию посредством прямого сравнения с экспериментальными данными, полученными при помощи современных оптических методов полевого измерения локальной толщины пленки жидкости. Будет проведена прямая экспериментальная и теоретическая проверка гипотезы о связи начала срыва капель с поверхности пленки с выходом гребней волн из вязкого подслоя в потоке газа. Для пленок жидкости, стекающих под действием силы тяжести, будет дополнительно исследовано влияние наклона пластины на формирование продольных струй и поперечные перетоки жидкости. Таким образом, в ходе выполнения проекта планируется ответить на ряд актуальных вопросов, касающихся волнового течения стекающих и обдуваемых газом пленок жидкости, а также существенно развить теоретические модели и методы экспериментальных исследований пленочных течений.