О влиянии толщины жидкого слоя на устойчивость плоскопараллельного течения в двухфазной системе с испарением
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.2.19Ключевые слова:
испарительная конвекция, двухфазная система, точное решение, устойчивость, исленное решение спектральной задачиАннотация
Интерес к конвекции в условиях фазовых переходов, свойственных испаряющимся жидкостям и парогазовым смесям, вызван их широким применением в различных технологиях и промышленных процессах. Альтернативой натурной отработке технологических методик и экспериментальным исследованиям конвективного тепломассообмена являются методы математического моделирования. В настоящей работе в рамках приближения Обербека–Буссинеска рассматривается задача испарительной конвекции в двухфазной системе жидкость–газ. Для описания установившихся адвективных течений при наличии диффузионного испарения используется частично-инвариантное точное решение определяющих уравнений, корректно учитывающее влияние внешней тепловой нагрузки и термодиффузионных эффектов в газопаровом слое. С помощью точного решения оценивается влияние толщины жидкого слоя на кинематические и температурные характеристики возникающих режимов, параметры фазового перехода и паросодержания в несущем газе. Установлено, что с ростом толщины слоя происходит последовательная смена течения чисто термокапиллярного типа течениями смешанного и пуазейлевского типов и имеют место качественные изменения в процессах массопереноса через межфазную границу. Методом нормальных мод анализируется линейная устойчивость точного решения относительно плоских и пространственных возмущений. Найдены пороговые характеристики устойчивости, демонстрируется эволюция топологии нейтральных кривых и форм неустойчивости при изменении геометрии системы. Показано, что увеличение толщины жидкого слоя дестабилизирует течение, при этом в системе всегда реализуется колебательная неустойчивость. Представлены зависимости фазовых скоростей возмущений для систем разной геометрии. Выявлено, что формы неустойчивости в слое испаряющейся жидкости, увлекаемой спутным газовым потоком, предсказываемые на основе точного решения, совпадают с наблюдаемыми в теплофизических экспериментах.
Скачивания
Библиографические ссылки
Kabov O.A., Kuznetsov V.V., Kabova Yu.O. Evaporation, dynamics and interface deformations in thin liquid films sheared by gas in a microchannel // Encyclopedia of two-phase heat transfer and flow II: Special topics and applications / Ed. J.R. Thome, J. Kim. Singapore: World Scientific Publishing Company, 2015. P. 57-108.
Worner M. Numerical modeling of multiphase flow in microfluidics and micro process engineering: A review of methods and applications // Microfluid. Nanofluid. 2012. Vol. 12. P. 841-886. https://doi.org/10.1007/s10404-012-0940-8
Sharma A. Level set method for computational multi-fluid dynamics: A review on developments, applications and analysis // Sadhana. 2015. Vol. 40. P. 627-652. https://doi.org/10.1007/s12046-014-0329-3
Eisenschmidt K., Ertl M., Gomaa H., Kieffer-Roth C., Meister C., Rauschenberger P., Reitzle M., Schlottke K., Weigand B. Direct numerical simulations for multiphase flows: An overview of the multiphase code FS3D // Appl. Math. Comput. 2016. Vol. 272. P. 508-517. https://doi.org/10.1016/j.amc.2015.05.095
Qin T. Buoyancy-thermocapillary convection of volatile fluids in confined and sealed geometries. Springer Cham, 2017. 227 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-61331-4
Kupershtokh A.L., Medvedev D.A., Gribanov I.I. Thermal lattice Boltzmann method for multiphase flows // Phys. Rev. E. 2018. Vol. 98. 023308. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.98.023308
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)
Шлиомис М.И., Якушин В.И. Конвекция в двухслойной бинарной системе с испарением // Уч. зап. Перм. гос. ун-та. Сер. Гидродинамика. 1972. № 4. С. 129-140.
Bekezhanova V.B., Goncharova O.N. Stability of the exact solutions describing the two-layer flows with evaporation at interface // Fluid Dyn. Res. 2016. Vol. 48. 061408. https://doi.org/10.1088/0169-5983/48/6/061408
Goncharova O.N., Kabov O.A. Investigation of the two-layer fluid flows with evaporation at interface on the basis of the exact solutions of the 3D problems of convection // J. Phys.: Conf. Ser. 2016. Vol. 754. 032008. https://doi.org/10.1088/1742-6596/754/3/032008
Grigoriev R.O., Qin T. The effect of phase change on stability of convective flow in a layer of volatile liquid driven by a horizontal temperature gradient // J. Fluid Mech. 2018. Vol. 838. P. 248-283. https://doi.org/10.1017/jfm.2017.918
Бекежанова В.Б., Гончарова О.Н., Резанова Е.В., Шефер И.А. Устойчивость двухслойных течений жидкости с испарением на границе раздела // Изв. РАН. МЖГ. 2017. № 2. С. 23-35. https://doi.org/10.7868/S0568528117020062
Bekezhanova V.B., Shefer I.A. Influence of gravity on the stability of evaporative convection regimes // Microgravity Sci. Technol. 2018. Vol. 30. P. 543-560. https://doi.org/10.1007/s12217-018-9628-3
Шефер И.А. Влияние поперечного перепада температур на устойчивость двухслойных течений жидкости с испарением // Изв. РАН. МЖГ. 2019. № 5. С. 15-25. https://doi.org/10.1134/S0568528119040091
Люлин Ю.В., Кабов О.А. Измерение массовой скорости испарения в горизонтальном слое жидкости, частично открытом в движущийся газ // ПЖТФ. 2013. Т. 39, № 17. C. 88-94. (English version https://doi.org/10.1134/S1063785013090095)
Lyulin Y., Kabov O. Evaporative convection in a horizontal liquid layer under shear-stress gas flow // Int. J. Heat Mass Tran. 2014. Vol. 70. P. 599-609. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.11.039
Bekezhanova V.B., Goncharova O.N. Influence of the Dufour and Soret effects on the characteristics of evaporating liquid flows // Int. J. Heat Mass Tran. 2020. Vol. 154. 119696. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119696
Годунов С.К. О численном решении краевых задач для систем линейных обыкновенных дифференциальных уравнений // УМН. 1961. Т. 16, № 3(99). C. 171-174.
Peng C.-C., Cerretani С., Braun R.J., Radke C.J. Evaporation-driven instability of the precorneal tear film // Adv. Colloid Interface Sci. 2014. Vol. 206. P. 250-264. https://doi.org/10.1016/j.cis.2013.06.001
Tiwari N., Davis J.M. Linear stability of a volatile liquid film flowing over a locally heated surface // Phys. Fluids. 2009. Vol. 21. 022105. https://doi.org/10.1063/1.3068757
Черноусько Ю.Л., Шумилов А.В. Испарение и микроконвенция в тонком поверхностном слое // Океанология. 1971. Т. 11, № 6. C. 982-986.
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.