Экспериментальное исследование параметров кольцевых пристенных пленок смесей вода-этанол при взаимодействии с высокоскоростным спутным потоком газа при истечении в вакуум

Экспериментальное исследование параметров кольцевых пристенных пленок смесей вода-этанол при взаимодействии с высокоскоростным спутным потоком газа при истечении в вакуум.

Автор: Павел Романович Вотинов, ФЛА, гр. ГСМ-51

Научный руководитель:  Вячеслав Николаевич Ярыгин,  д. т.н., профессор.

Задача об истечении жидкостей и газожидкостных смесей в вакуум представляет как фундаментальный, так и практический интерес.

В фундаментальном плане важны исследования физических процессов и явлений, сопровождающих истечение жидкости в вакуум – мгновенное вскипание, распад на капли, фазовые переходы на поверхности и внутри капель, взаимодействие капель со сверхзвуковым газовым потоком.

Для практических приложений истечение жидкости в вакуум представляет интерес, в частности, для космической техники с точки зрения загрязнения поверхностей космических аппаратов при работе дренажных устройств, двигателей управления и ориентации, систем дозаправки и т. д.

Течение тонких пленок – это широкая область фундаментальных и прикладных исследований.

В основной части работ, посвященных изучению вопроса течения тонких пленок,  рассматриваются гравитационные пленки и (или)  пленки при низких скоростях спутного потока газа.

Исследований посвященных совместному  истечению пристенной пленки жидкости с высокоскоростным спутным потоком газа очень мало. В основном они обусловлены космическими приложениями.

К числу таких относятся выполненные ранее в Институте теплофизики им. СО РАН работы, посвященные решению проблемы внешнего загрязнения Международной космической станции (МКС) струями двигателей ориентации, в которых топливная пленка используется для охлаждения стенок сопла.

Рис.1 Загрязнение в зонах работы космонавтов на СМ МКС.

Как говорилось выше, струйное истечение газа в вакуум было предметом многочисленных экспериментальных и теоретических исследований, но задача совместного истечения газового потока с жидкостью, в частности с пристенной пленкой, до сих пор недостаточно изучена.

Особенностью данной задачи является то, что в связи с сильным падением давления в спутном потоке газа при движении внутри сопла, жидкость может стать мгновенно «перегретой», что приводит к интенсивному кипению пленки жидкости даже при комнатной температуре.
А также  к ее  взрывообразному распаду на капли при попадании в вакуумную камеру с давлением существенно ниже давления насыщенных паров жидкости.

Рис. 2. Истечение пристенной пленки: a – этанола в атмосферу, b – этанола в вакуум, с – воды в вакуум.

Эксперименты проводятся на вакуумной  установке «ВИКИНГ»  с помощью датчиков емкостного типа (по методике, разработанной в лаборатории Автоматизированных систем научных исследований Института теплофизики им. СО РАН)

Рис.3 Общий вид установки «ВИКИНГ»  Рис.4 Схема установки емкостных датчиков

Выводы:

1. Проведен цикл экспериментальных исследований по взаимодействию спутного газового потока с пристенной пленкой жидкости смеси (объемная концентрация 50%).

2. Измерены локальные параметры пленки смеси «вода-этанол», а именно толщина и скорость.

3. Проведено сравнение результатов для смеси «вода-этанол» с раннее полученными результатами для чистых жидкостей.

Ближайшие цели:
1. Проведение экспериментов с пленками с различными концентрациями (75%, 25%)

2. Исследование процесса фазового перехода при истечении пристенной пленки смеси «вода-этанол»  из канала в вакуум.