книги из ГПНТБ / Хьюитт Дж. Кольцевые двухфазовые течения

Большинство экспериментов по исследованию разрыЬа пленки, основанных па эффектах Марапгопи, прово­ дилось в условиях малых или нулевых расходов газа. При условиях высоких расходов газа влияние эффектов Марангони может быть сравнительно малым по сравне­ нию со стабилизирующим влиянием течения газа над волновой поверхностью.

7.4. Р О Л Ь П У З Ы Р Ч А Т О Г О К И П Е Н И Я И Р А З Б Р Ы З Г И В А Н И Я

В С М А Ч И В А Н И И Н А Г Р Е Т Ы Х П О В Е Р Х Н О С Т Е Й

Во многих случаях передачи тепла к кольцевым пленкам на поверхности раздела между пленкой и твер­ дой поверхностью возникает пузырчатое кипение (см. гл. 10). Рост пузыря в центрах парообразования сопро­ вождается высыханием поверхности под пузырем. Та­ ким образом, пузырь возмуща­

установлено из -наблюдений, что разрыва пленки не про­ исходит даже при сравнительно высоких скоростях об-

197

разевания пузырей в случае более высоких расходов пленки жидкости.

Другим аспектом смачивания жидкой пленкой, в ко­ тором образование пузырей играет важную роль, является смачивание сильно нагретых поверхностей. Если стекающая пленка подается на нагретую верти-

Рис. 7.6. Величина обратная скорости повторного сма­ чивания (3,27 м/сек) в зависимости от средней темпе­ ратуры трубы [26].

кальную поверхность, температура которой выше опре­ деленного значения, тепло передается теплопровод­ ностью от горячей части поверхности в область под формирующейся поверхностью раздела с такой интен­ сивностью, что на этой поверхности происходит бурное

198

кипение. В результате этого пленка жидкости отры­ вается от поверхности и скорость, при которой снова происходит смачивание, может быть довольно низкой. Важность этого явления в аварийном (дополнительном) охлаждении ядерных реакторов была продемонстрирова­ на Ширесом и др. [314], и на рис. 7.5 показана фото­ графия этого явления, полученная авторами. Это явле­ ние было названо «разбрызгиванием»; оказалось, что оно связано с данной температурой поверхности, выше которой время повторного смачивания поверхности ли­ нейно возрастает с увеличением температуры. Прове­ денные Беннетом и др. эксперименты [26], в которых нагретая поверхность была помещена в среду пара,

насыщения; эти результаты показаны на рис. 7.6. В про­ тивоположность Ширесу и др. [314] Беннет и др. [26] не обнаружили существенного влияния расхода воды на скорость формирования и продвижения тройной поверх­ ности раздела (хотя их заключение базируется на срав­ нительно небольшом количестве результатов). Беннет и др. [26] сообщают также о значительном влиянии обра­ ботки твердой поверхности на расход при повторном смачивании.

7.5. З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Разрыв пленок жидкости управляется многими слож­ ными процессами, особенно в случае наличия тепломас­ сообмена. Особое внимание должно быть уделено геоме­ трическим факторам, наиболее важным из которых является метод распределения жидкости. Мало вероят­ но, что в ситуациях, встречающихся на практике, изве­ стны условия на поверхности (а следовательно, краевой угол), а это может ограничить применимость теорети­ ческих уравнений, о которых говорилось выше. Вычис­ ление минимального расхода смачивания для наихудших условий работы может дать полезный верхний предел, который поможет конструктору теплообменной аппара­ туры с жидкой пленкой рассчитать режим ее работы. Существуют, конечно, некоторые практические ситуации, такие, как необходимость интенсификации капельной конденсации, когда разрыв пленки жидкости желателен.

199

Г л а в а в о с ь м а я

О Б Р А ЗО В А Н И Е И П О В Е Д Е Н И Е К А П ЕЛ Ь ,

УН О СИ М Ы Х ГАЗОВОЙ Ф АЗОЙ ПРИ К О Л ЬЦ ЕВ О М Т ЕЧ ЕН И И

8.1. В В Е Д Е Н И Е

При кольцевом двухфазном течении, как правило, часть жидкой фазы в виде капель уносится в ядро га­ зового потока. При адиабатических условиях тонкая пленка жидкости будет обычно оставаться на поверхнос­ ти, но при подводе тепла даже и эта пленка может быть испарена с поверхности. Для любой комбинации расходов газа и жидкости и для данной геометрии и фи­ зических свойств доля уносимой жидкости является произвольной переменной и может быть изменена путем изменения условия выше по потоку от рассматриваемого сечения. Таким образом, доля уноса сильно зависит от

эксперимента для измерения уноса и ряда сопутствую­ щих ему явлений (см. гл. 12). На основе таких наблюде­ ний можно было дать обоснованную физическую интер­ претацию механизмов уноса капель, диффузии капель в ядро, выпадения выделившихся капель на поверхность

ит. д. Однако в настоящее время не существует удовле­ творительной теоретической модели, которая охватывала бы все эти особенности, хотя некоторые частные задачи рассмотрены. Поэтому настоящая глава посвящена пре­ имущественно описанию экспериментальных наблюдений

иполучаемых на основе их эмпирических соотношений.

Экстраполяция этих соотношений на системы, условия в которых сильно отличаются от тех, для которых они были получены, является чрезвычайно сомнительным делом.

8.2. М Е Х А Н И З М Ы У Н О С А К А П Е Л Ь

8.2.1. Волновой унос

Возникновение больших волн возмущения в однона­ правленном кольцевом течении было рассмотрено в гл. 6. Обычно считают, что эти волны являются источ­ ником уноса капель при кольцевом течении, хотя точный

20р

механизм, с помощью которого капли отрываются от волн, все еще не ясен. Связь между волнами возмуще­ ния и уносом капель была точно установлена с помощью фотографирования и непосредственного наблюдения [13, 76, 191, 370]. Кинокадры, снятые методом осевой съемки (см. гл. 12), показывают, что сильный унос про­ исходит в области главных волн возмущения, но в пери­ ферийных областях канала, в промежутках между волнами возмущения, наблюдается лишь незначительное

Рис. 8.1. Последовательная серия кинокадров, показывающая про­ хождение волны возмущения с механизмом дробления путем «под­ резания» волны.

Расход газа 68 кг/ч. Расход жидкости 113 кг/ч. Скорость протяжки ленты 305 м/сек.

разбрызгивание. Распад волн возмущения — процесс впечатляющий и чрезвычайно сложный. Это иллюстри­ руется последовательной серией кинокадров, снятых кинокамерой, расположенной вдоль оси потока в трубе, в которой имело место подъемное кольцевое воздушно­ водяное течение (рис. 8.1). Объектив камеры был на­ правлен вниз. Из этих кадров совершенно очевидно, что хотя волны возмущения и сохраняют свою согласован­ ность в процессе движения по трубе, на периферии тру­ бы они в любой момент времени неоднородны.

На основе визуальных наблюдений можно сделать предположения о ряде возможных механизмов, подроб­ но рисующих картину дробления волн возмущения на мелкие капли, уносимые вслед за этим газовой фазой.

201

Конечно, при отсутствии дальнейшего роста такое дроб­ ление волны привело бы к уменьшению ее амплитуды, но в действительности волна непрерывно забирает жид­ кость из пленки и, в конце концов, устанавливается со­ стояние динамического равновесия, при котором ско­ рость забора жидкости уравновешивается скоростью выплескивания капель. Непрерывное образование ка­ пель волнами обусловлено тем обстоятельством, что

Рис. 8.2. Дробление волны возмущения в результате «под­ резания».

они, как правило, неустойчивы и имеют тенденцию к росту. Поверхностные волны, таким образом, действу­ ют как «насосы», которые непрерывно перекачивают жидкость от жидкой пленки в газовое ядро потока. Кро­ ме того, существует движение капель и в направлении поверхности жидкости, как результат процесса капель­ ного массообмена (описываемого ниже в этой главе), и между этими процессами устанавливается динамическое равновесие, в котором скорость подачи капель в газовое ядро от пленки жидкости волнами возмущения уравно­ вешивается выпадением капель.

Существует ряд предположений о возможных меха­ низмах, с помощью которых волны могут оказывать влияние на такой перенос капель, но на теперешней ста­ дии исследований пока нет определенных доказательств, которые позволили бы отдать предпочтение какому-либо одному конкретному механизму. Два возможных меха­ низма показаны на рис. 8.2 и 8.3. В соответствии с одним механизмом, показанным на рис. 8.2, газ начинает «подрезать» волну, в результате чего начинает образо­ вываться круглый, открытый с обоих концов пузырь.

2U2

Он растет, прежний гребень волны вытягивается в плен­ ку, охватывающую пузырь, и, наконец, дробится на капли. Если такое дробление происходит, избыточное (динамическое) давление внутри пузыря обусловливает быстрый радиальный перенос капель. Этот тип дробле­ ния пленки наблюдал Лейн [222] при дроблении капель в высокоскоростных воздушных потоках. Изучение кино­ кадров, полученных с помощью метода осевой съемки,

Время

Рис. 8.3. Дробление волны возмущения в результате закручивания гребня.

дает основание предположить, что такой механизм дроб­ ления пленки имеет место в кольцевом течении. Для дробления водяных капель в воздушном потоке при

отметить, что Ньюитт и др. [264] получили критические скорости вторичного уноса с краев направляющих пере­ городок, которые довольно хорошо согласуются с крити­ ческими скоростями для дробления капель. Этот случай уноса по физической сущности ближе к механизму дроб­ ления пленки, показанному на рис. 8.2, и это заставляет предполагать, что подобные механизмы имеют место, хотя фотографии дробления у перегородок, приводимые Ньюиттом и др. [264], не показывают четкой формы пу­ зырей с открытыми концами.

Другой вид дробления волны показан на рис. 8.3; в этом случае у волн большой амплитуды при неболь­ шой глубине слоя жидкости заметна тенденция увели­ чения крутизны с фронтальной части, что и приводит

203

затем к образованию дробящейся волны, как это пока­ зано на рисунке. Подобный же механизм имеет место при дроблении волн с образованием брызг в процессе движения волн по отмели при сильном ветре. При очень большой скорости ветра можно ожидать вытягивания кончиков гребней волн в тонкие полотна жидкости, которые затем дробятся. Дробление струй и пленок жидкости является основным процессом в распылении жидкости. Обзор ранних работ по распылению жидкости

Рис. 8.4. Периферийное дробление волн возмущения.

сделал Грин [134], а к более поздним исследованиям в этой области относятся работы Йорка и др. [385], Дом­ бровского и Фрезера [94], Сквайра [328], Фрезера и Эйзенклама [111] и Домбровского и Джонса [95]. Пре­ красные фотоснимки, выполненные Домбровским и Фре­ зером [94], иллюстрируют много противоположных пу­ тей, по которым может идти дробление пленки жидкости. Дробление струй жидкости рассматривается, например, Брауном и Йорком [40] и Вивденко и Шаболиным [358]. Следует заметить, однако, что хотя изучение распыления струй и пленок жидкости дает интересную основу для рассмотрения дробления воли возмущения, этот послед­ ний случай является чрезвычайно сложным и весьма сомнительно, чтобы к нему можно было непосредственно применить результаты изучения распыления.

Пример дополнительных сложностей, с которыми приходится сталкиваться при исследовании реальных волн возмущения, показан на рис. 8.4, который выпол­ нен на основе наблюдений, сделанных с помощью фото­ аппарата, установленного по оси канала. После началь­ ного образования осесимметричных волн возмущения (рис. 8.4,а) последующий их рост ведет к вторичной неустойчивости, которая вызывает колебания по периме-

204

тру канала, как показано на рис. 8.4,6). Эти волны

вконечном итоге вырастают до значительного размера,

азатем дробятся газовым потоком (рис. 8.4,в).

8 .2 .2 . У н о с в р е з у л ь т а т е в ы д е л е н и я п у з ы р е й

Уже давно было известно, что лопание (схлопывание) пузырей у поверхности жидкости является причи­ ной уноса капель. Результаты изучения механизма этого явления и спектра размеров капель, получающихся при

Рис. 8.5. Механизм уноса капель вследствие выделения пузы­ рей с поверхности жидкости [264].

этом, описаны в работе Гарнера и др. [118] и Ньюитта

идр. [264]. В последней работе приводятся результаты изучения выделения пузырей с поверхности фотографическими методами; рис. 8.5 заимствован из этой работы

ислужит хорошей иллюстрацией механизма процесса. Ньюитт и др. дают следующее описание механизма.

Пузырь, поднявшийся к поверхности жидкости (рис. 8.5,а), находясь в состоянии покоя, образует полу­ сферический выступ (рис. 8.5,6); под действием его вну­ треннего давления поверхность раздела проминается.

205

крон. Эти капли уносятся струей газа, истекающего из прорванного купола. В результате этого возникает си­ стема стоячих волн и на поверхности раздела образует­ ся хорошо выраженный кратер (рис. 8.5,д). Кратер быст­ ро вновь заполняется затекающей в него жидкостью, которая образует струю, поднимающуюся с большей скоростью (рис. 8.5,е) и при определенных обстоятельст­ вах отделяет одну или более сравнительно крупных капель (рис. 8.5,ж, з) от своей вершины. Это и есть именно те капли, которые могут иметь диаметр порядка

му пику в спектре размеров капель; это количественно

счет дробления струи и образование капель происходит в результате разрушения купола. Лопание больших пузырей приводит поэтому к образованию капель зна­ чительно меньших размеров. Гарнер и др. также нашли, что низкие поверхностное натяжение и вязкость приво­ дят к образованию более мелких капель и что присут­ ствие агентов, способствующих смачиванию, уменьшает количество уносимой жидкости в результате выделения пузырей и способствует уменьшению размера капель. Этот последний эффект, по-видимому, обусловлен влия­ нием поверхностно-активных агентов на ограничение формирования струи жидкости вслед за выделением пузыря (т. е. влиянием вязкости поверхности). Сущест­ вует два главных механизма, с помощью которых в пленке жидкости при кольцевом течении могут образо­ вываться пузыри газа:

1)в результате зарождения пузырей растворенного газа или пара па поверхности раздела твердое тело — жидкость;

2)в результате занесения газовых пузырей в пленку жидкости под действием волн; захват пузырей жидкой пленкой особенно вероятен при очень высоких массовых расходах и в области больших волн возмущения.

Случай уноса, причиной которого является пузырча-- тое кипение, изучался Хьюиттом и др. [167]. Наблюде-

206