Трехмерные режимы конвекции в двухслойной системе с испарением при разных типах тепловой нагрузки на подложке
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.2.17Ключевые слова:
вязкая жидкость, конвекция, термокапиллярная граница, двухслойное течение, математическое и численное моделированиеАннотация
Для моделирования двухслойных течений с учетом испарения (конденсации) диффузионного типа на межфазной границе построено трехмерное обобщение решения Остроумова–Бириха уравнений конвекции. Бесконечный прямоугольный канал, находящийся под действием продольного градиента температуры и поперечно направленного поля силы тяжести, заполнен жидкостью и газопаровой смесью, имеющими общую границу раздела. Обе среды полагаются вязкими теплопроводными несжимаемыми жидкостями. С помощью точного решения специального вида изучаются характеристики течений, возникающих в условиях линейно распределенной тепловой нагрузки на подложке и теплоизоляции верхней и боковых стенок канала. Структура трехмерного решения диктует сведение исходной задачи к цепочке двумерных постановок, численное решение которых, проведенное на основе продольно-поперечной конечно-разностной схемы, позволяет описать реальные конвективные режимы. С целью определения механизмов управления течениями и прогнозирования возможных форм неустойчивости анализируется влияние граничного теплового режима на параметры испарительной конвекции. Перепады температуры в системе, обусловленные как внешним тепловым воздействием, так и процессами испарения, приводят к формированию сложно-симметричных вихревых структур, топология которых существенно зависит от интенсивности тепловой нагрузки, типа жидкого теплоносителя, толщины жидкого слоя. Исследованы характеристики двухслойных течений рабочих систем типа этанол–азот и HFE7100–азот. Поступательно-вращательные течения в двухслойных системах реализуются в виде валиковой конвекции. Изучены различия в формировании продольных термических валов, приповерхностного горячего слоя, холодного термоклина, пристеночных тепловых валов с дефектами. Представлены проекции трубок тока и траектории движения жидких частиц, а также распределения температуры и концентрации пара.
Скачивания
Библиографические ссылки
Lyulin Y.V., Kabov O.A. Evaporative convection in a horizontal liquid layer under shear–stress gas flow // Int. J. Heat Mass Tran. 2014. Vol. 70. P. 599-609. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.11.039
Lyulin Y., Kreta A., Querdane H., Kabov O. Experimental study of the convective motions by the PIV technique within an evaporating liquid layer into the gas flow // Microgravity Sci. Technol. 2020. Vol. 32. P. 203-216. https://doi.org/10.1007/s12217-019-09759-x
Бекежанова В.Б., Гончарова О.Н. Задачи испарительной конвекции (обзор) // ПММ. 2018. Т. 82, № 2. С. 219-260. (English version https://doi.org/10.1134/S001546281804016X)
Остроумов Г.А. Свободная конвекция в условиях внутренней задачи. М.: Гос. изд-во техн.-теорет. лит., 1952. 256 с.
Бирих Р.В. О термокапиллярной конвекции в горизонтальном слое жидкости // ПМТФ. 1966. № 3. С. 69-72. (English version https://doi.org/10.1007/BF00914697)
Пухначёв В.В. Теоретико-групповая природа решения Бириха и его обобщения // Симметрия и дифференциальные уравнения: Сб. трудов, Красноярск, 21-25 августа 2000 г. Красноярск: ИВМ СО РАН, 2000. С. 180-183.
Goncharova O.N., Kabov O.A., Pukhnachov V.V. Solutions of special type describing the three dimensional thermocapillary flows with an interface // Int. J. Heat Mass Tran. 2012. Vol. 55. P. 715-725. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.10.038
Андреев В.К., Капцов О.В., Пухначев В.В., Родионов А.А. Применение теоретико-групповых методов в гидродинамике. М.: Наука, 1994. 320 с. (English version https://doi.org/10.1007/978-94-017-0745-9)
De Groot S.R., Mazur P. Non-equilibrium thermodynamics. London, Dover Publications, 1984. 530 p.
Prosperetti A. Boundary conditions at a liquid-vapor interface // Meccanica. 1979. Vol. 14. P. 34-47. https://doi.org/10.1007/BF02134967
Margerit J., Colinet P., Lebon G., Iorio C.S., Legros J.C. Interfacial nonequilibrium and Benard-Marangoni instability of a liquid-vapor system // Phys. Rev. E. 2003. Vol. 68. 041601. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.68.041601
Bekezhanova V.B., Goncharova O.N. Numerical study of the evaporative convection regimes in a three-dimensional channel for different types of liquid-phase coolant // Int. J. Therm. Sci. 2020. Vol. 156. 106491. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2020.106491
Bekezhanova V.B., Goncharova O.N. Modeling of three dimensional thermocapillary flows with evaporation at the interface based on the solutions of a special type of the convection equations // Appl. Math. Model. 2018. Vol. 62. P. 145-162. https://doi.org/10.1016/j.apm.2018.05.021
Bekezhanova V.B., Goncharova O.N. Surface tension effects in the evaporative two-layer flows // Interfacial Phenomena and Heat Transfer. 2021. Vol. 9. P. 1-29. https://doi.org/10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer.2021036538
Iorio C.S., Goncharova O.N., Kabov O.A. Heat and mass transfer control by evaporative thermal pattering of thin liquid layers // Comput. Therm. Sci. 2011. Vol. 3. P. 333-342. https://doi.org/10.1615/computthermalscien.2011003229
Das K.S., Ward C.A. Surface thermal capacity and its effects on the boundary conditions at fluid-fluid interfaces // Phys. Rev. E. 2007. Vol. 75. 065303. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.75.065303
Haut B., Colinet P. Surface-tension-driven instabilities of a pure liquid layer evaporating into an inert gas // J. Colloid Interface Science. 2005. Vol. 285. P. 296-305. https://doi.org/10.1016/J.JCIS.2004.07.041
Burelbach J.P., Bankoff S.G., Davis S.H. Nonlinear stability of evaporating/condensing liquid films // J. Fluid Mech. 1988. Vol. 195. P. 463-494. https://doi.org/10.1017/S0022112088002484
Oron A., Davis S.H., Bankoff S.G. Long-scale evolution of thin liquid films // Rev. Mod. Phys. 1997. Vol. 69. P. 931-980. https://doi.org/10.1103/REVMODPHYS.69.931
Laskovets E.V. Mathematical modeling of the thin liquid layer runoffprocess based on generalized conditions at the interface: parametric analysis and numerical solution // Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics. 2023. Vol. 16, no. 1. P. 56-65.
Shklyaev O.E., Fried E. Stability of an evaporating thin liquid film // J. Fluid Mech. 2007. Vol. 584. P. 157-183. https://doi.org/10.1017/S0022112007006350
Miladinova S., Slavtchev S., Lebon G., Legros J.-C. The effect of non-uniform heating on long-wave instabilities of evaporating falling films // Proc. of the 6th Workshop on Transport Phenomena in Two Phase Flow. Bourgas, Bulgaria, September 11-16, 2001. P. 121-128.
Krahl R., Adamov M., Aviles M.L., Bänsch E. A model for two phase flow with evaporation. Preprint of Weierstrass- Institut fuer Angewandte Analysis und Stochastik. Berlin, 2004. No. 899. 17 p
Bekezhanova V.B., Kabov O.A. Surface Influence of internal energy variations of the interface on the stability of film flow // Interfacial Phenomena and Heat Transfer. 2016. Vol. 4. P. 133-156. https://doi.org/10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer.2017019451
Kabov O.A., Zaitsev D.V., Cheverda V.V., Bar-Cohen A. Evaporation and flow dynamics of thin, shear-driven liquid films in microgap channels // Exp. Therm. Fluid Sci. 2011. Vol. 35. P. 825-831. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2010.08.001
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2023 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.