Процессы переноса и волны в стекающих пленках жидкости

Пленочные течения жидкостей характеризуются рядом отличительных особенностей, в связи с чем им уделяют повышенное внимание и выделяют в отдельный класс течений. Тонкие пленки жидкостей представляют собой уникальный физический объект для изучения закономерностей развития неустойчивостей, нелинейных волновых структур, ламинарно-турбулентного перехода, поверхностных явлений. Пленочные режимы течения реализуются и широко используются в аппаратах энергетики, химической технологии, космической технике. В числе наиболее важных свойств – высокая интенсивность процессов переноса в жидких пленках и сильное влияние волн на тепломассообмен.

В институте ведутся исследования по всем основным фундаментальным и прикладным направлениям, связанным с пленочными режимами течения жидкости, включая кольцевые двухфазные потоки.

Специально разработаны или адаптированы самые современные экспериментальные методы диагностики: теневой, ёмкостный, оптоволоконный, электропроводности, флуоресцентный – для измерения локальной толщины пленки; электродиффузионный – для измерения касательного напряжения; термографии – для измерения поля температур; Particle Image Velocimetry – для измерения поля скоростей; высокоскоростная цифровая видеосъемка – для визуализации.

Теоретически и экспериментально изучена устойчивость совместного течения пленки жидкости и газа, а также при наличии фазовых переходов и уноса капель. Исследованы течения пленок жидкости по сложным поверхностям – криволинейным, гофрированным, структурированным (элементам насадок ректификационных колонн), а также по наклонным трубкам (элементам теплообменников в ожижителях природного газа).

В последнем случае жидкость движется по наружной нижней поверхности трубки в виде ривулета (ручейка), который, как и пленка, всегда неустойчив и характеризуется широким спектром разнообразных волновых структур, преимущественно трехмерных.

Впервые составлена целостная картина волн на поверхности жидких пленок. Экспериментально описаны все возможные типы двумерных волн и эволюция одиночных возмущений. Выведены разнообразные модельные эволюционные уравнения, в том числе так называемые двухволновые уравнения. Рассмотрены решения солитонного типа, имеющие свою специфику для диссипативных сред. Теоретически и экспериментально показано существование стационарного трехмерного (подковообразного) солитона при числах Рейнольдса порядка единицы. Описаны спиральные волны как для тонких слоев жидкостей, так и в целом для диспергирующих сред.

Трехмерная стационарная уединенная волна на стекающей пленке жидкости.
Расчет.	Эксперимент. Re = 3,3.	Влияние волн на интенсификацию массообмена при  абсорбции слаборастворимого газа пленкой воды.

Исследованы процессы тепломассообмена, включая абсорбцию, конвективный теплообмен, испарение, кипение, конденсацию.

Описаны особенности процессов переноса при интенсивном испарении и кипении в криогенных жидкостях, при микрогравитации, при неизотермической абсорбции, в присутствии ПАВ, при протекании химических реакций, при кристаллизации, при наличии локальных источников тепла и термокапиллярных эффектов. Выявлены механизмы интенсификации тепломассообмена волнами.

В случае локальных источников тепла обнаружено новое явление, которое выражается в формировании крупномасштабных трехмерных стоячих структур и обусловлено эффектом Марангони. Описаны особенности нестационарного теплообмена, кризисы теплообмена, образование и устойчивость сухих пятен и ривулетов в режимах с испарением и кипением. Предложены методы интенсификации процессов переноса в пленках. Примечательно, что многие результаты фундаментальных исследований находят прямое применение на практике.

В качестве примеров следует привести дистилляционные криогенные колонны с регулярной насадкой для разделения воздуха, пленочные теплообменники и конденсаторы, ожижители природного газа, опреснители морской воды, абсорберы, холодильные машины и тепловые насосы, парогенерируюшие тракты тепловых и атомных станций (включая создание теплогидравдических кодов по безопасности), теплообменники для космических аппаратов.

Подготовка к эксперименту по теплообмену в пленках на Международной космической станции: 
моделирование микрогравитации в параболическом полете.

• Alekseenko S.V., Aniipin V.A., Guzanov V.V., Markovich D.M., Kharlamov S.M. Three-dimensional solitary waves on falling liquid film at low Reynolds numbers//Phys. Fluids. 2005. V. 17.
• Гешев П.И., Лапин А.М. Диффузия слаборастворимого газа в стекающих волновых пленках жидкости // ЖПМТФ. 1983. № 6.
• Кабов О.А. Формирование регулярных структур в стекающей пленке жидкости при локальном нагреве // Теплофизика и аэромеханика. 1998. Т. 5, № 4.
• Aktershev S.P., Alekseenko S.V. Influence of condensation on the stability of a liquid film moving under the effect of gravity and turbulent vapor flow // Int. J. Heat & Mass Transfer. 2005. V. 48.
• Alekseenko S.V., Nakoryakov V.E., Pokusaev B.G. Wave Flow of Liquid Film. Begell House, 1994.
• Chinnov E.A., Kabov О.А., Marchuk I.V., Zaitsev D.V. Heat transfer and breakdown of subcooled falling water film on a vertical middle size heater // Int. J. Heat & Technology. 2002. V. 20, N. 1.
• Pavlenko A.N. Hydrodynamics and Heat Transfer in Boiling and Evaporation in Cryogenic Falling Films and Aplications // Seleceted Transactions of NATO Advanced Study Institute. Kluwer Academic Publishers, the Netherlands. 2003. V. 99.
• Tsvelodub O.Yu., Trifonov Yu.Ya. Nonlinear waves on the surface of a falling liquid film. Part 2. Bifurcations of the first family waves and the others types of nonlinear waves // J. Fluid Mech. 1992. V. 244.