Антон Сергеевич Потькалов Молекулярный практикум



Дата23.02.2016
өлшемі69 Kb.
түріПрактикум

А. С. Потькалов. Термокапиллярный эффект в локально…




ТЕРМОКАПИЛЛЯРНЫЙ ЭФФЕКТ В ЛОКАЛЬНО НАГРЕВАЕМОЙ ПЛЁНКЕ ЖИДКОСТИ, ДВИЖУЩЕЙСЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СПУТНОГО ПОТОКА ГАЗА
Антон Сергеевич Потькалов

Молекулярный практикум, II семестр, группа № 431.1



Игорь Владимирович Марчук

Научный руководитель, к.ф.-м.н. Институт теплофизики СО РАН, тел. 39-11-37



Антошин А.В., ИЯФ CO РАН, Ткаченко В.А., к. т. н., ИЯФ CO РАН

Преподаватели практикума


Проведено исследование роли термокапиллярного эффекта в формировании разрывов плёнки жидкости (воды), движущейся под действием потока газа (воздуха) в плоском горизонтальном канале с нагревателем. Получены термограммы для трёх различных режимов течения по соотношению чисел Рейнольдса жидкости (500-1175) и газа (11,5–37,5). Рассмотрено изменение отношения величины термокапиллярного эффекта к касательному напряжению вдоль канала. Замечено, что в данной зависимости присутствуют два характерных пика. Сделана попытка с их помощью объяснить механизм разрыва плёнки. Полученные данные свидетельствуют о том, что величина термокапиллярного эффекта превосходила касательное напряжение вплоть до 7 раз.



1. Введение. Тонкие пленки жидкости широко используются в технологических процессах, так как обеспечивают высокую интенсивность тепло-массопереноса и значительную поверхность контакта фаз при малых удельных расходах жидкости. Снижение толщины стекающего слоя жидкости позволяет интенсифицировать процесс теплообмена, однако тонкие пленки подвержены разрывам.

Объектом изучения данной работы является локально нагреваемая плёнка жидкости, движущаяся в плоском горизонтальном канале. В отличие от большинства предыдущих работ [2], движение происходит не за счёт гравитационных сил, а вследствие касательного напряжения, создаваемого потоком газа в канале. Подобные плёночные течения особенно перспективны, так как их можно использовать для охлаждения микроэлектроники в условиях невесомости.

Целью данной работы является выяснение вклада термокапиллярного эффекта в разрыв плёнки при различных режимах течения. Это исследование также позволит понять, не станет ли поток газа в канале новым фактором разрыва.

2.Теоретическая часть. Природа термокапиллярного эффекта заключается в том, что коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры. В результате, на границе двух областей жидкости с разными температурами возникает избыточное давление со стороны более прогретой области. Как следствие, возникает дополнительная сила , которая и носит название термокапиллярной. Найти её можно, зная температурное поле в плёнке по следующей формуле:

где .

Для того, чтобы рассчитать величину касательного напряжения, создаваемого потоком газа в канале, воспользуемся формулой, вывод которой приведён в основной части работы:

Где , динамические вязкости газа и жидкости соответственно, - объём газа в единицу времени на единицу ширины орошаемой поверхности, h – толщина плёнки, H – высота канала.



3. Описание установки.

Эксперимент проводился в лаборатории института теплофизики. Схема канала представлена на рисунке:




Рис. 1. Схема канала: 1. Нагреватель, 2. Объём для жидкости, 3. Выходная щель для жидкости, 4. Объём для газа, 5. Плёнка жидкости, 6. Выходная щель для газа, 7. Пластина из оргстекла, 8. Инфракрасное «окно»
В ходе эксперимента с помощью вентилей регулируются расход жидкости и газа, которые контролируются поплавковыми ротаметрами. Жидкость термостабилизируется при помощи термостата. На нагревателе в канале устанавливается необходимый тепловой поток. Плёнка формируется благодаря узкой щели. Ширина потока составляла 58мм по жидкости и 65мм по газу, высота канала 2мм. Площадь нагревателя 143мм2, который представляет собою прямоугольник 22 на 6,5 мм.

Температурное поле на данной установке определяется при помощи тепловизора. [3] Однако, поскольку установка расположена горизонтально, а сильно наклонять тепловизор нельзя вследствие особенностей его конструкции, то приходится пользоваться отражающим зеркалом. Канал сверху накрыт пластиной из оргстекла, которое поглощает до 90% излучения, поэтому в пластине сделано «инфракрасное окно», на которое натянута прозрачная плёнка. Сигнал от тепловизора через Аналогово-Цифровой Преобразователь (АЦП) поступает на компьютер, где преобразуется в термограммы специальной программой. Если нам понадобится узнать температуру в точке, использовался источник постоянного теплового излучения (модель абсолютно черного тела). Температура его поверхности поддерживалась порядка 32 градусов Цельсия и контролировалась термопарой. Кроме того, имеется три термопары, встроенные непосредственно в нагреватель и канал, ещё одна контролирует температуру воздуха в лаборатории.



4. Описание эксперимента. Для каждого режима снималось несколько обычных кадров и один усреднённый по времени. Кроме того, регистрировалось чёрное тело, по термограмме которого и показаниям термопар, восстанавливался диапазон температур на кадрах. Для каждого теплового потока брался максимальный из достигнутых градиентов температуры, по которому и оценивалась термокапиллярная сила. Расчет касательного напряжения, вызванного потоком газа, производился численными методами по формуле, представленной в теоретической части.

5. Результаты. На основе полученной термокапиллярной силы и касательного напряжения , была рассчитана безразмерная величина . Эта величина как раз и характеризует вклад термокапиллярной силы в формировании поверхностной структуры плёнки. Ниже показаны предельные значения K и соответствующие им тепловые потоки:


Соотношение Re(l)/Re(g):

37,5 / 1175

11,5 / 500

16 / 625

Тепловой поток, Вт/см2

16,03

3,83

6,06

Коэффициент

K


5,26

3,44

7,06

Таблица 1. Значения коэффициента K и соответствующие тепловые потоки.
Также получены трёхмерные градиенты температуры и изменение K вдоль канала, которые можно посмотреть в основной части отчёта о работе. Отмечу только, что на всех зависимостях вдоль канала отчётливо видны два пика значения K.

6. Анализ погрешностей. При измерении температуры поверхности пленки жидкости использовалось ИК окно и поворотное зеркало, поэтому выяснено, насколько они искажали сигнал. Эксперимент показал, что наше зеркало обладает высокой отражающей способностью, но имеется некоторое размытие ИК снимка. Инфракрасное окно пропускает достаточную часть инфракрасного излучения, чтобы проводить измерения температуры, и, самое главное, сохраняет качественно температурный профиль, что и необходимо в данной работе.

Температурная чувствительность тепловизора составляет 0,2К, чувствительность термопар порядка 0,1 К. Масштаб на термограммах определён с точностью до 1мм (1,5-2 процента от размера кадра).



7. Обсуждение результатов. Полученные данные свидетельствует о том, что во всех режимах течения термокапиллярный эффект в районе нагревателя превосходит касательное напряжение, созданным потоком газа, вплоть до 7 раз. Из зависимостей коэффициента K вдоль течения видно, что касательное напряжение превосходит термокапиллярный эффект лишь на достаточном удалении от нагревателя. Разрыв плёнки же происходил в основном в области нагревателя, где, безусловно, доминирует термокапиллярный эффект. Таким образом, появление потока газа в канале обуславливает лишь усиление волнового характера течения плёнки, но не становится новым важным фактором разрыва. Из зависимости K вдоль течения также видно, что во всех режимах образуется два характерных пика перепада температур. Поскольку в области между подобными максимумами термокапиллярный эффект собирает жидкость к краям, сделано предположение, что усиление подобных пиков с ростом теплового потока и обеспечивает разрыв плёнки.

8. Выводы. В результате проведённого исследования можно уверенно утверждать, что основной вклад в формировании поверхностной структуры плёнки в районе нагревателя вносит именно термокапиллярный эффект. Его величина в несколько раз превосходит касательное напряжение, создаваемого потоком газа. Анализ зависимости безразмерного коэффициента K вдоль течения показал, что, вероятнее всего, разрыв плёнки происходит в области между двумя пиками градиента температур, что соответствует наблюдаемым в ходе экспериментов очагам разрыва.

9. Благодарности. Я благодарен студенту четвёртого курса физического факультета НГУ Федяшину Павлу, за его помощь в создании теоретической части.

10. Список литературы.

  1. Ландау Л.Д., Лифшиц В.М. Теоретическая физика. – М: Наука. –Т. 5. Гидродинамика. – C.28-29, 71-74, 337-338.

  2. Марчук И.В. Термографическое исследование плёнки жидкости, стекающей по поверхности с локальным источником тепла: Диссертация, Институт Теплофизики. – C. 3-4.

  3. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: Пер. с франц. – М.: Мир, 1988. – 416 с.

  4. Алексеенко С.В., Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г. Волновое течение пленок жидкости. – Новосибирск: Сибирская издательская фирма, 1992. – 256с.


От редакции:

1. Просьба представить две полные страницы текста.

2. Обсудите с научным руководителем и преподавателем содержание ваших тезисов.

Кафедра общей физики. Физический факультет НГУ, 2005г.



Достарыңызбен бөлісу:




©dereksiz.org 2020
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет