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
###
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, pp. 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, pp. 203-216. https://doi.org/10.1007/s12217-019-09759-x
Bekezhanova V.B., Goncharova O.N. Problems of the evaporative convection (review). Fluid Dyn., 2018, vol. 53, pp. S69 S102. https://doi.org/10.1134/S001546281804016X
Ostroumov G.A. Svobodnaya konvektsiya v usloviyakh vnutrenney zadachi [Free convection under the conditions of an internal problem]. Moscow-Leningrad, Gostekhizdat, 1952. 256 p.
Birikh R.V. Thermocapillary convection in a horizontal layer of liquid // J. Appl. Mech. Tech. Phys. 1969. Vol. 3. P. 43-45. https://doi.org/10.1007/BF00914697
Pukhnachev V.V. Symmetry and differential equations, August 21-25, 2000. Krasnoyarsk, Institute of Computational Modeling SB RAS, 2000. Pp. 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, pp. 715-725. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.10.038
Andreev V.K., Kaptsov O.V., Pukhnachov V.V., Rodionov A.A. Applications of group theoretical methods in hydrodynamics. Springer Dordrecht, 1998. 408 p. 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, pp. 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, pp. 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, pp. 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, pp. 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, pp. 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, pp. 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, pp. 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, pp. 56-65.
Shklyaev O.E., Fried E. Stability of an evaporating thin liquid film. J. Fluid Mech., 2007, vol. 584, pp. 157-183. https://doi.org/10.1017/S0022112007006350
Miladinova S., Slavtchev S., Lebon G., Legros J.-C. 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, pp. 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, pp. 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.
