Взаимодействие двух ривулетов на нижней стороне наклонной пластины
Екатерина Слесарева11, Руслан Дехтярь1 и Валерий Овчинников1
1СО РАН, Институт теплофизики им. Кутателадзе, 630090 Новосибирск, Россия
Абстракт. Проведено экспериментальное исследование течения ривулетов и капель по нижней стороне наклонной гидрофобной поверхности. Исследовано взаимодействие двух рядом стекающих ривулетов. В качестве рабочей жидкости использовалась дистиллированная вода. Эксперименты проводились на гладкой пластине из полиэтилена длиной 1400 мм и шириной 300 мм. Угол наклона поверхности пластины составлял относительно вертикали 14°. Распределительное устройство состояло из двух полиэтиленовых подающих трубок с внутренним диаметром 0,8 мм. Трубки располагались перпендикулярно поверхности пластины на расстоянии 10 мм друг от друга по центру пластины. Расход жидкости изменялся от 0,01 до 1,0 мл/с и поддерживался постоянным. Проводилась фото-видеосъемка картин течения ривулетов со скоростью до 1200 кадров/с. Определено, что для капельного и ривулетно-капельного режима, при условии постоянного расхода на выходе из подающей трубки, направление движения и форма ривулета зависят от неравномерности расхода жидкости по длине ривулета. Показано, что режим течения ривулета может быть изменен путем взаимодействия с другим ривулетом. Изменение режима течения ривулета происходит в соответствии с законами, определяющими характер течения жидкости в ривулете.
1 Введение
Использование пленок жидкости в абсорберах, конденсаторах, теплообменниках делает актуальными исследования таких течений. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что структура течения пленки сильно влияет на локальные и средние характеристики тепломассопереноса. Одной из форм стекания жидкости по наклонной поверхности является ручейковое течение (ривулет). При малых расходах жидкости наблюдается распад ручейка на капли. На движение ривулета сильное влияние оказывает угол смачивания и его гистерезис [1], что приводит к тому, что ривулет движется непредсказуемым способом в виде змейки (меандрирование), вследствие чего невозможно получить однозначные характеристики траектории движения ривулета [2]. В литературе имеется большое количество экспериментальных данных для течения ривулетов и капель [2 – 5]. Однако в основном они получены для верхней стороны пластины или вертикальных поверхностей. Для течений на нижней стороне наклонной пластины количество данных ограничено. Целью настоящей работы является экспериментальное исследование переходных режимов течения ривулетов и капель на нижней стороне наклонной гидрофобной поверхности.
2 Методика измерений
Эксперименты проводились на гладкой пластине 1 из полиэтилена длиной 1400 мм и шириной 300 мм. Угол наклона поверхности пластины составлял относительно вертикали θ = 14°. Сосуд Мариотта 2 поддерживал постоянное давление на выходе распределительного устройства. Расход регулировался при помощи вентилей 3. Распределительное устройство состояло из двух полиэтиленовых подающих трубок 4 с внутренним диаметром 0,8 мм. Трубки располагались перпендикулярно поверхности пластины на расстоянии 10 мм друг от друга по центру пластины. Зазор между поверхностью пластины и срезом подающих трубок не превышал 0,5 мм. Расход жидкости измерялся объёмным способом, (до и после эксперимента видеокамерой 5 снимался процесс заполнения мерного сосуда 6). Точность измерения расхода составляла 0,002 мл/с. Масса капель на поверхности определялась весовым методом с точностью до 0,5 мг. С помощью высокоскоростных цифровых видеокамер 7 проводилась в разных по высоте сечениях видеосъемка картин течения на нижней стороне пластины. Видеосъемка проводилась со скоростью до 1200 кадров/с. Координата Y вдоль пластины отсчитывалась от нижней кромки пластины.
Исследовалось стекание ривулета по нижней стороне пластины под действием силы тяжести, а также взаимодействие двух рядом стекающих ривулетов. В качестве рабочей жидкости использовалась дистиллированная вода. Расход жидкости изменялся от 0,01 до 1,0 мл/с и поддерживался постоянным. Постоянство расхода контролировалось до и после проведения эксперимента. При обработке видеоматериалов измерялись скорости и ускорения движения отдельных структур, выделяемых визуально на ривулете.
Рисунок 1. Схема установки. 1 - пластина из полиэтилена, 2 - Сосуд Мариотта, 3 - вентиль, 4 - подающая трубка, 5 - цифровая видеокамера, 6 - мерный сосуд, 7 - скоростная цифровая видеокамера.
3 Обсуждение результатов
Проведено экспериментальное исследование течения ривулетов и капель по нижней стороне наклонной гидрофобной поверхности. При условии постоянного расхода на выходе из подающей трубки было показано, что для капельного и ривулетно-капельного режима направление движения и форма ривулета зависят от неравномерности расхода жидкости по длине ривулета.
В работе [6] показано, что в режиме нестационарного меандрирования в различных сечениях по длине ривулета возникают «варикозные» возмущения, связанные с изменением расхода. В результате развития «варикозного» возмущения формируются одна или более точек раздвоения с образованием нарастающих пальцеобразных структур, что приводит к изменению направления течения ривулета в точках раздвоения.
Для исключения перехода к режиму нестационарного меандрирования были проведены эксперименты, в которых специальным образом было организовано взаимодействие нестационарно-меандрирующего ривулета с ручейково-капельным. Например, на рис. 2 и рис. 3 показано как происходит взаимодействие двух ривулетов с различными режимами течения. Видеосъёмка проводилась для двух участков по длине пластины от расположения подающей трубки (первый участок 1,32 ч 1,20 м, второй 1,03 ч 0,91 м). Частота отрыва капель от левого ривулета порядка 2,5 Гц. В течении 6 ч 7 секунд справа формируется нестационарно-меандрирующий ривулет. На рис. 2 видно, что в результате взаимодействия капель малорасходного ривулета с нестационарно-меандрирующим через пять секунд ниже точки взаимодействия двух ривулетов формируется один ривулет с малой степенью меандрирования.
Рисунок 2. Кадры видеосъемки формирования взаимодействия двух ривулетов, расход q1 = 0,530 мл/с, q2 = 0,053 мл/с. На кадрах указано время от момента подачи жидкости в подающие трубки.
На рис. 3 показано изменение положения нижней границы "капли" образующейся из малорасходного ривулета. Видно, что до соприкосновения с основным ривулетом капля медленно сползает по подложке. После слияния скорость капли резко увеличивается. Однако по мере движения "капли" по ривулету ускорение скольжения "варикозного" возмущения уменьшается от 4 м/с2 в точке соединения до 0,5 м/с2 в нижней части пластины. Капли оказывают стабилизирующее действие на меандрирующий ривулет не только ниже точки слияния, но и выше.
То есть возмущения, возникающие на ривулете, оказывают свое влияние и вниз и вверх по течению струи. Таким образом, ускоренное движение "капли" оказывает стабилизирующее влияние на меандрирующий ривулет. Такой пример показывает, что понимание механизмов определяющих характер движения ривулета, помогает управлять режимами течения.
Рисунок 3. Изменение положения на ривулете (q1 = 0,530 мл/с) нижней границы "капли", образующейся на краю малорасходного ривулета (q2 = 0,053 мл/с). Первый участок 1,32 ч 1,20 м, второй 1,03 ч 0,91 м. Штрихпунктирная линия – 1,31 м – расположение подающей трубки.
В результате проведенных исследований показано, что режим течения ривулета может быть изменен путем взаимодействия с другим ривулетом. Смена режимов может быть спрогнозирована с учетом понимания механизмов, определяющих характер течения жидкости.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 14‑19‑00352.
Литература
G. D. Towell, L.B. Rothfeld, Int. J. Heat Mass Trans., 12(5), 972, (1966) T. Nakagawa, J. C. Scott, J. Fluid Mech., 149, 89, (1984) V. E. Nakoryakov, S. Y. Misyura, Chem. Engin. Scien., 104, 1, (2013) V. E. Nakoryakov, S. Y. Misyura, S. L. Elistratov, J. Engin. Therm., 22(1), 1, (2013) S. Ya. Misyura, Int. J. Heat Mass Trans., 71, 197, (2014) V. E. Nakoryakov, V. М. Ovchinnikov, R. A. Dekhtyar, Modern Scien., 12(1), 90, (2013)1 Corresponding author: *****@***ru
