Явление массового формирования микромасштабных сухих пятен в пленке жидкости, увлекаемой потоком газа в канале при интенсивном нагреве

Выполнено комплексное экспериментальное исследование гидродинамики, теплообмена и кризисных явлений при интенсивном нагреве пленки воды, движущейся под действием потока газа в миниканале, с целью разработки методов управления характеристиками двухфазных течений в миниканалах и интенсификации теплообмена. Исследованы режимы течения и разрушения недогретой пленки воды при нагреве от источника тепла размером 1x1 см2 при тепловых потоках до 1 кВт/см2. При помощи оптической системы с высоким временным (до 100 тысяч кадров в секунду) и пространственным (до 1 мкм/пиксель)  разрешением было установлено, что с ростом теплового потока суммарная длина контактной линии в сухих пятнах увеличивается, и в предкризисный момент достигает максимума, что может обуславливать высокие коэффициенты теплоотдачи (до 350 кВт/(К·м2)), зафиксированные в эксперименте, которые в несколько раз превосходят коэффициенты теплоотдачи при кипении в канале при том же расходе жидкости на том же рабочем участке. Характерный начальный размер сухих пятен, образующихся на поверхности нагревателя составляет 100 мкм, при этом большая половина сухих пятен имеет время жизни менее 500 мкс.

Зависимость суммарной длины контактной линии на нагревателе от теплового потока: 1 – число Рейнольдса жидкости Rel= 45; приведенная скорость газа USg= 7,4 м/с; критический тепловой поток CHF=200 Вт/см2; 2 – Rel= 40; USg= 19,5 м/с; CHF=470 Вт/см2.
Процесс образования сухого пятна в пленке жидкости и скорость распространения
контактной линии в сухом пятне (q = 450 Вт/см2, Rel= 40, USg= 19.5 м/с).

Установлено, что при тепловом потоке 450 Вт/смна поверхности нагревателя (1 см2) перед кризисом образуется и замывается порядка 200000 сухих пятен за 1 секунду. Была измерена скорость контактной линии в сухом пятне, в зависимости от времени. Максимальная скорость контактной линии наблюдается в момент образования сухого пятна и достигает 10 м/с. Установлено, что причиной образования микромасштабных сухих пятен является прорыв паровых пузырей в пленке жидкости между гребнями волн. Выполненные исследования открывают возможность создания нового метода существенной интенсификации теплообмена в двухфазных системах с использованием режимов с массовым образованием микромасштабных сухих пятен.

ИТ СО РАН,  д. ф.-м. н., проф. КабовО.А., к. ф.-м.н., Зайцев Д.В., магистрант НГУ Ткаченко Е.М., студент НГУ Белослудцев В.В., тел.: 8(383)316-51-37.