Исследование влияния контактного угла смачивания на динамику стекания плёнки жидкости по вертикальной поверхности

На основе численного моделирования получены новые данные по режимам стекания плёнки смеси фреонов R114/R21 по круглому вертикальному цилиндру при значениях контактного угла смачивания 10°, 30°, 50°, 70° и 90° при числах Рейнольдса 50 и 104. Моделирование проводилось с применением метода объёма жидкости (VOF) в пакете OpenFOAM. Выявлены следующие режимы стекания смеси фреонов: сплошная плёнка, устойчивый струйный режим, каскадный струйный режим, режим массивной струи, струйно-капельный режим и режим осушения. Показано, что устойчивый струйный режим характеризуется прямыми или слабо искривлёнными струями, истоки которых сохраняют своё положение на фронте смачивания сплошной плёнки. В каскадном режиме струи периодически возникают на фронте смачивания сплошной плёнки между истоками струй предыдущих генераций. Течение проходит все вышеперечисленные режимы в процессе формирования массивной струи, потребляющей около 75% расхода жидкости из расположенной выше сплошной плёнки. При снижении числа Рейнольдса каждый из режимов течения реализуется при меньших углах смачивания. В режиме осушения фронт смачивания сплошной плёнки, ранее прошедший определённое расстояние, возвращается к исходной верхней границе цилиндра. В режимах “массивной” струи и осушения возникает обратное движение жидкости на фронте смачивания. Скорость продвижения сплошной плёнки вниз по вертикальной поверхности снижается при изменении режима стекания от сплошной плёнки к струйным режимам, принимая отрицательные значения в режиме осушения. Таким образом, угол смачивания оказывает ключевое влияние на площадь смоченной поверхности при заданных значениях плотности орошения в области малых плотностей тепловых потоков, что принципиально важно учитывать при проведении расчетов общей эффективности тепломассообмена в пленочных теплообменниках.
Представленные результаты моделирования, показывающие влияние угла смачивания на реализацию различных режимов и долю смоченной поверхности, получены впервые и важны для разработки современных высокоэффективных плёночных теплообменников применительно к аппаратам химической, криогенной и пищевой промышленности, в том числе, к установкам для сжижения природного газа, в микро- и силовой электронике.

Режимы стекания смеси фреонов.

Руководитель работы – член-корр. РАН Павленко А.Н., тел. +7 (383) 328-43-87.