Экспериментальное исследование трехмерной структуры волн на поверхности пленки жидкости, обдуваемой высокоскоростным потоком газа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат наук Исаенков Сергей Владимирович

• Исаенков Сергей Владимирович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Исаенков Сергей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Обзор литературы, посвященный исследованию кольцевого газожидкостного течения

1.1 Режимы газожидкостных течений

1.2 Характеристики потока

1.3 Переход от кольцевого режима течения к дисперсно-кольцевому. Критическое число Рейнольдса жидкости

1.4 Течение пленки жидкости без отрыва капель с ее поверхности

1.5 Дисперсно-кольцевое течение

1.6 Теоретические подходы к описанию кольцевого газожидкостного течения

1.7 Экспериментальные методики исследования эволюции пленки жидкости

1.8 Выводы по главе

Глава 2. Описание экспериментальной установки и методики измерений

2.1 Описание экспериментальной установки

2.2 Измерение локальной толщины пленки жидкости методом лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ)

2.3 Измерение локальной толщины пленки жидкости теневым методом

2.4 Оптическая задача о ходе лучей от источника света к камере

Глава 3. Поперечная неравномерность пленки жидкости при режимах без уноса капель с ее поверхности

3.1 Волновая структура пленки жидкости в двумерном представлении

3.2 Обработка и анализ данных, полученных в двумерной постановке

3.3 Трехмерная структура волн

3.4 Боковые взаимодействия волн

3.5 Выводы по главе

Глава 4. Формирование волн возмущения на начальном участке дисперсно-кольцевого течения

4.1 Формирование волн возмущения в двумерном подходе. Обоснование необходимости применения трехмерного подхода

4.2 Формирование волн возмущения в трехмерном подходе

4.3 Количественное описание поперечной неравномерности пленки жидкости

4.4 Выводы по главе

Глава 5. Характеристики волн на начальном участке дисперсно-кольцевого течения

5.1 Измерение толщины пленки жидкости вблизи входа

5.2 Сравнение данных, полученных с помощью разных методик измерения. Длина зоны стабилизации

5.3 Численное моделирование первичной неустойчивости

5.4 Характеристики начальных волн

5.5 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование трехмерной структуры волн на поверхности пленки жидкости, обдуваемой высокоскоростным потоком газа»

Актуальность темы:

Кольцевое газожидкостное течение представляет собой совместное течение пленки жидкости по стенкам канала и высокоскоростного потока газа. Такой вид течения часто встречается на практике в промышленности (теплообменники, парогенераторы, абсорберы) и энергетике (при добыче и транспортировке нефти и газа), поэтому представляет интерес не только с фундаментальной, но и с прикладной точки зрения. Для проектирования безопасных и эффективных промышленных систем необходимо изучать динамику газожидкостного течения.

В результате взаимодействия высокоскоростного потока газа и пленки жидкости на поверхности пленки образуются сложные волновые структуры, которые влияют на интегральные характеристики потока (перепад давления, тепломассообмен). В кольцевом газожидкостном течении разделяют режимы с уносом и без уноса капель жидкости с поверхности пленки. При высоких скоростях газа переход к уносу происходит при достижении критического расхода жидкости. Волновая картина в режимах без уноса была мало изучена до недавнего времени. На основе анализа временных записей толщины пленки, полученных в одной точке рабочей области (т.н. одномерный подход), считалось, что поверхность пленки покрыта стохастическими волнами. С помощью двумерного подхода (исследование временной эволюции мгновенного профиля толщины пленки жидкости вдоль продольной координаты) было показано, что поверхность пленки покрыта быстрыми долгоживущими "первичными" волнами и медленными "вторичными" волнами с небольшим временем жизни; генерация вторичных волн происходит на задних склонах первичных. В режимах с уносом капель в рамках одномерного подхода на поверхности пленки были идентифицированы крупномасштабные "волны возмущения" и мелкомасштабные "волны ряби". С применением двумерного подхода было установлено, что все волны ряби рождаются на задних склонах волн возмущения; часть волн движется медленнее волн возмущения, а другая часть движется с большой скоростью по поверхности волны возмущения и разрушается на капли вблизи ее фронта.

Сложность процессов генерации, эволюции и взаимодействия волн усиливается вследствие трехмерности поверхности пленки. Волны всех типов имеют конечный поперечный размер; их фронты могут быть искривлены или скошены, а амплитуда обычно неравномерна по поперечной координате. Исследование эволюции пленки жидкости в рамках двумерного подхода может привести к ошибочной интерпретации

трехмерных волновых явлений. Поэтому необходимо изучать данный процесс в трехмерной постановке, позволяющей проводить полевые измерения локальной толщины пленки жидкости одновременно вдоль продольной и поперечной координат с высоким пространственным и временным разрешением. Одним из немногих методов, позволяющих выполнить поставленную задачу, является метод лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ).

Целью данной работы является исследование эволюции трехмерных волн в кольцевом и дисперсно-кольцевом потоке.

Поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследовать трехмерную структуру волн в режимах без уноса жидкости.

2. Изучить процесс формирования волн возмущения в трехмерном пространстве.

3. Исследовать развитие начальных волн в дисперсно-кольцевом течении.

Научная новизна:

1. Впервые была исследована трехмерная структура волн на поверхности пленок жидкости в режимах течения без уноса капель. Изучено влияние скорости потока газа на поперечный размер первичных и вторичных волн. Показано, что вариация амплитуды первичных волн по поперечной координате является результатом взаимодействия первичной волны со вторичными. Исследованы боковые взаимодействия первичных и вторичных волн.

2. Впервые установлено, что формирование волн возмущения происходит в три этапа: формирование квази-регулярных двумерных "начальных волн", распад на нерегулярные трехмерные волны, слияние трехмерных волн в квази-двумерные крупномасштабные волны возмущения. Измерена пространственная длина каждого из этапов при различных параметрах потока и геометрии канала. Обнаружено, что длина области существования начальных двумерных волн практически не зависит от формы канала.

3. Впервые экспериментально исследована волновая картина дисперсно-кольцевого течения на малом расстоянии от входа. Выявлено, что начальные двумерные волны возникают до стабилизации толщины пленки; показана регулярность этих волн. Впервые в условиях дисперсно-кольцевого течения измерены характеристики начальных волн и проведено сопоставление с результатами теоретического анализа линейной устойчивости.

Научная и практическая значимость:

Газожидкостные потоки встречаются в ряде отраслей промышленности, начиная с компактных теплообменников и заканчивая глубоководными трубами большого диаметра по добыче углеводородов. Благодаря взаимодействию потока газа с жидкостью, на поверхности пленки образуются волновые структуры, влияющие на характеристики всего потока. Полученные экспериментальные данные о формировании, развитии поверхностных волн и их взаимодействии между собой позволят создать новые, физически обоснованные модели, что приведет к разработке промышленных установок с высокой производительностью и уровнем безопасности.

На защиту выносятся:

1. Результаты качественного и количественного анализа поперечной неустойчивости пленки жидкости, обдуваемой высокоскоростным потоком газа при режимах без уноса капель. Результаты исследования боковых взаимодействий между первичными и вторичными волнами.

2. Результаты исследования процесса формирования волн возмущения в трехмерном пространстве. Метод количественного описания степени двумерности волн на поверхности пленки жидкости.

3. Результаты измерений эволюционных характеристик начальных волн, развивающихся на начальном участке дисперсно-кольцевого течения. Сопоставление с результатами моделирования.

Достоверность научных результатов обеспечивается: а) применением методов измерения локальной толщины пленки жидкости с высоким пространственным и временным разрешением; б) анализом погрешностей измерений; в) проведением калибровочных и тестовых измерений; г) воспроизводимостью результатов.

Апробация работы:

Результаты работы докладывались на следующих международных и Российских конференциях: Молодёжная конференция "Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей" (Новосибирск, 2010 г); International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics (Lisbon, 2010, 2014, 2016, 2018); Всероссийская конференция молодых ученых "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии" (Новосибирск, 2012); VI International Conference "SOLITONS, COLLAPSES AND TURBULENCE: Achievements, Developments and Perspectives" (Novosibirsk, 2012); Всероссийская конференция «Фундаментальные основы МЭМС- и

нанотехнологий» (Новосибирск, 2012, 2015); ITT Workshop Two-Phase Systems for Ground and Space Applications (2012, 2014, 2017); 10th Euromech Fluid Mechanics Conference (Copenhagen, 2014); Всероссийская школа-конференция молодых учёных с международным участием "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск, 2014, 2016, 2018); Тринадцатая Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2015); Всероссийская конференция "XXXII Сибирский теплофизический семинар", посвящённая 80-летию со дня рождения академика В.Е. Накорякова (Новосибирск, 2015); 9th International Conference on Multiphase Flow (Florence, 2016); International Symposium and School for Young Scientists INTERFACIAL PHENOMENA AND HEAT TRANSFER (Novosibirsk, 2016); 9th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (Brazil, 2017); VI Всероссийская конференция с участием зарубежных ученых "Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения" (Барнаул, 2017); Всероссийская конференция с международным участием "Современные проблемы механики сплошных сред и физики взрыва" (Новосибирск, 2017); II Всероссийская научная конференция "Теплофизика и физическая гидродинамика" с элементами школы молодых ученых (Ялта, 2017); 5th International Conference on Experimental Fluid Mechanics (Munich, 2018).

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 9 рецензируемых журнальных статей, удовлетворяющих требованиям ВАК.

Личный вклад автора:

Проведение экспериментов, проектирование и изготовление рабочего участка осуществлялось при непосредственном участии автора. Обоснование достоверности методических измерений, обработка и анализ экспериментальных данных, сравнение с результатами моделирования проводились диссертантом самостоятельно.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 98 страниц, включая 55 рисунков. Список литературы состоит из 93 наименований.

Глава 1. Обзор литературы, посвященный исследованию кольцевого газожидкостного течения

1.1 Режимы газожидкостных течений

В зависимости от параметров течения в вертикальных каналах наблюдают четыре основных типа газожидкостного течения: пузырьковое, снарядное, "вспененное" и кольцевое (Hewitt and Hall-Taylor, 1970). Подробную карту режимов течения можно найти в книге Hanratty (2013). При малых расходах газа наблюдают пузырьковый режим течения, т.е газовая фаза распространяется в виде пузырьков различного диаметра совместно с потоком жидкости. При увеличении расхода газа пузыри сливаются между собой, в результате некоторые из пузырьков имеют вытянутую форму, а их поперечное сечение сравнимо с диаметром канала (пузыри Тейлора). Эти пузыри разделены между собой объемом жидкости, который может содержать пузырьки малого размера. Такой режим течения принято называть снарядным. Дальнейшее увеличение скорости газа ведет к деструктуризации течения, которое получило название "вспененное". Это течение обычно характеризуется такими словами, как "неустойчивость" и "неупорядоченность" (Hewitt & Hall-Taylor, 1970; Taitel et al., 1980), что говорит о том, что "вспененный" поток имеет чрезвычайно сложный профиль на границе газ-жидкость, структура которого остается неясной.

При больших скоростях газа реализуется кольцевой режим газожидкостного течения, который представляет собой совместное течение газового ядра в центре канала и пленки жидкости, движущейся по его стенкам. Поверхность пленки покрыта волновыми структурами, характерный размер (амплитуда) которых много меньше диаметра канала. В силу того, что влияние газа проявляется намного сильнее, чем влияние силы тяжести, волновая картина опускного течения совпадает с волновой картиной при восходящем течении. Такой вид течения, в свою очередь, делится на течение с наличием дисперсной фазы в газовом потоке и его отсутствием.

Кольцевое газожидкостное течение также реализуется при горизонтальном (Hewitt et al., 1990; Jayanti et al., 1990; Farias et al., 2012) и наклонном течении (Floryan et al., 1987; Al-Sarkhi et al., 2012). В работе Ishii, Grolmes (1975) представлены режимные карты начала уноса, согласно которым режимные границы для горизонтального, вертикального восходящего и опускного течения совпадают между собой при числах Рейнольдса

жидкости свыше 200, а при меньших расходах жидкости переход к уносу в опускном течении наблюдается при меньших расходах газа.

Помимо ориентации течения может быть изменена и геометрия канала, так в работах Damsohn and Prasser (2009), Cherdantsev et al. (2014) исследование волновой структуры пленки жидкости проводилось в каналах с прямоугольным сечением; пленка жидкости двигалась по одной из стенок канала, не замыкаясь в кольцо. Существенных различий в волновой картине, полученной в канале с круглым и прямоугольным сечением обнаружено не было. Данная работа направлена на изучение кольцевого газожидкостного течения при режимах без уноса и с уносом дисперсной фазы с поверхности пленки жидкости. Эксперименты проводились при вертикальном опускном течении в каналах различной геометрии.

1.2 Характеристики потока

Ввиду широкого применения двухфазных газожидкостных течений большой интерес с прикладной точки зрения вызывают такие характеристики потока, как перепад давления вдоль канала, расход жидкости, уносимой с поверхности пленки в газовый поток, средняя толщина пленки.

1.2.1 Перепад давления в канале

Благодаря взаимодействию высокоскоростного потока газа и пленки жидкости на поверхности пленки образуются волновые структуры. Наличие волн приводит к существенному росту перепада давления в канале по сравнению с однофазным потоком (Chu and Dukler, 1975). В работе Alekseenko et al. (2013) исследовалось кольцевое газожидкостное течение без уноса капель с поверхности пленки и было установлено, что локальный перепад давления растет при увеличении скорости газа и слабо меняется при увеличении расхода жидкости, однако, полученные значения в 1,5 - 2 раза выше оценки перепада давления для турбулентного течения газа в гладкой трубе.

При больших расходах жидкости и газа происходит отрыв капель с поверхности пленки. Наличие дисперсной фазы также влияет на перепад давления в канале, поскольку энергия газового потока затрачивается на ускорение капель. Данные о локальном перепаде давления в дисперсно-кольцевых потоках можно найти в работах Gill et al. (1965), Wolf et al. (2001), Черданцев (2006), Belt et al. (2009). Согласно этим работам перепад давления растет с увеличением расхода жидкости и скорости газа.

Помимо влияния характеристик течения была получена зависимость перепада давления от расстояния от входа в канал. Установлено, что при числе Рейнольдса жидкости ReL до 350 локальный перепад давления меняется с расстоянием не более чем на 10% (Wolf et al., 2001; Черданцев, 2006; Belt et al., 2009). При больших значениях ReL наблюдается уменьшение с расстоянием, и вдали от входа перепад может составлять порядка 55% от значений вблизи входа (Wolf et al., 2001; Gill et al., 1963).

1.2.2 Расход дисперсной фазы

При дисперсно-кольцевом потоке часть жидкости течет в виде пленки по стенке канала, а другая часть в виде увлеченных с поверхности пленки капель жидкости в газовом ядре. В результате чего происходит непрерывный обмен массой, импульсом и энергией между пленкой и каплями.

В работах Han et al. (2006), Ishii and Mishima (1984) было экспериментально установлено, что унос жидкости для исследуемых скоростей газа 18-30 м/с мал и составляет не более 7% от общего расхода жидкости. С увеличением скорости жидкости и газа растет расход дисперсной фазы и при VG = 60 м/с составляет 25 - 40 % (Черданцев, 2006; Sawant et al., 2008).

Если жидкость подается на стенки канала в виде пленки, то интенсивный унос начинается на расстоянии 10 - 30 сантиметров от входа (Черданцев, 2006; Leman et al., 1985). Массовая доля дисперсной фазы растет с расстоянием и выходит на постоянное значение при расстоянии от входа порядка 3 - 4 метров (Wolf et al., 2001; Leman et al., 1985), т.е когда унос жидкости уравновешивается осаждением капель. Постоянство массовой доли дисперсной фазы с расстоянием указывает на полностью развитый кольцевой поток.

1.2.3 Средняя толщина пленки

Средняя толщина пленки растет с увеличением расхода жидкости и уменьшается при увеличении расхода газа (Han et al., 2006; Belt et al., 2010; Schubring et al., 2010; Farias et al., 2011), причем влияние скорости газа более существенно. При режимах без уноса жидкости с поверхности пленки средняя толщина пленки не меняется с расстоянием, а при переходе к уносным режимам течения эта величина уменьшается с расстоянием до достижения гидродинамического равновесия, когда объем осаждающейся жидкости равен объему унесенной (Wolf et al., 2001). Авторы работы Antipin et al. (2003) отмечают, что

при небольших скоростях потока газа толщина пленки в восходящем потоке выше, чем в нисходящем. Однако, с ростом скорости газа эта разница становится несущественной.

1.3 Переход от кольцевого режима течения к дисперсно-кольцевому. Критическое число Рейнольдса жидкости.

Как отмечалось ранее, кольцевое газожидкостное течение разделяют на течение без уноса капель жидкости в газовый поток и течение с уносом. Переход от кольцевого режима течения к дисперсно-кольцевому исследовался в большом количестве работ, режимные карты начала уноса представлены в статьях Ishii and Grolmes (1975), Черданцев (2006), Sawant et al. (2008). Режимная граница имеет вид гиперболы на плоскости ReG (Vg) - ReL (Vl), где ReG (Vg) - число Рейнольдса и скорость газа, а ReL (Vl) - число Рейнольдса и скорость жидкости (пример см. на рисунке 1). Следует отметить, что данная граница может смещаться при изменении свойств рабочей жидкости, ориентации течения, диаметра канала.

Расход жидкости, ниже которого не происходит уноса даже при очень больших скоростях газа характеризуется критическим числом Рейнольдса Recrit, и согласно результатам Azzopardi (1997) для течения воды и воздуха эта величина имеет значение порядка 70. Авторы работы Ishii and Grolmes (1975) пытались оценить критическое число Рейнольдса жидкости, предполагая, что амплитуда волн должна превосходить толщину пограничного слоя в газе. Однако, по сравнению с экспериментально полученным значением Recrit, оценка дает сильно заниженный результат.

Limiting critical gas superficial velocity

i

w

M

.1" Noj

-i ......r"!

О

с тэ

Ё S

Limiting critical liquid flow rate

Eiftrainment

Gas velocity (m/s)

Рисунок 1. Режимная карта перехода к уносу. Azzopardi (1997)

1.4 Течение пленки жидкости без отрыва капель с ее поверхности

Известно, что при отсутствии газового потока поверхность тонких пленок вблизи входа покрыта синусоидальными волнами, амплитуда которых растет экспоненциально с расстоянием; при достижении достаточно большой амплитуды волны перестают быть линейными. С увеличением расстояния от входа наблюдается распад двумерных волн на уединенные трехмерные волны - солитоны. Солитонообразные волны имеют асимметричную форму с пологим задним и крутым передним склоном с ярко выраженным капиллярным предвестником (Алексеенко и др., 1992; Chang et al. 2002).

Волновая картина при режимах с обдувом тонкой пленки высокоскоростным потоком газа была мало изучена до недавнего времени. Ранее считалось, что поверхность пленки покрыта рябью - высокочастотными возмущениями (Suzuki et al.,1983; Hagiwara et al., 1985; Asali and Hanratty, 1993). Впервые о сосуществовании двух типов волн на поверхности тонких обдуваемых газом пленок жидкости было сообщено Ohba and Nagae (1993). В этой работе для исследования волновой картины в восходящем газожидкостном потоке был применен метод пигментного подсвечивания и были обнаружены кольцевые волны, помимо волн ряби. Кольцевыми волнами авторы работы считали те волны, которые занимали всю видимую область измерений (порядка 30 мм). Также было установлено, что скорость распространения кольцевых волн примерно в два раза превосходит скорость волн ряби. Однако из-за отсутствия необходимого временного разрешения, авторами не была выявлена связь между этими волнами. Такое исследование было проведено в работе Alekseenko et al. (2009b) при помощи метода лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ).

Так Alekseenko et al. (2009b) были получены мгновенные профили толщины пленки жидкости h(x) в одном продольном сечении канала с высокой частотой съемки. Установлено, что волновая картина представлена двумя типами волн: крупномасштабными долгоживущими первичными волнами и мелкомасштабными вторичными. Но основным отличием между этими волнами является то, что генерация вторичных волн происходит на заднем склоне первичной, затем волна распространяется с меньшей скоростью и поглощается следующей первичной волной. Пример генерации и поглощения вторичных волн (арабские цифры) первичными (римские цифры) в системе отсчета волны I изображен на рисунке 2. Из представленных профилей толщины пленки жидкости в различные моменты времени видно, как вторичные волны 4, 5 и 6

генерируются первичной волной I, а вторичные волны 1 и 2 поглощаются первичной волной II. В работе Alekseenko et al. (2013b) показано влияние скорости газа на характеристики поверхностных волн, а в частности, показано, что при увеличении скорости газа скорость как первичных, так и вторичных волн растет, а амплитуда волн падает.

Рисунок 2. Пример эволюции профиля толщины пленки со временем (шаг - 5 мс). ReL = 20, VG = 18 м/с. Vozhakov et а1. (2016)

Экспериментальное исследование природы вторичной неустойчивости осложнено мелкомасштабностью данного процесса и оптическими искажениями на границе раздела фаз. В статье Vozhakov et я1. (2016) рассмотрен ряд гипотез, объясняющих появление вторичной неустойчивости:

1) Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца на участке более толстого слоя жидкости.

2) Развитие зоны смешения под задним склоном первичной волны.

3) Наличие вихря в пограничном слое в газовой фазе способствует локальному снижению давления над гребнем волны.

4) Поперечная неустойчивость заднего склона или гребня первичной волны приводит к появлению вторичных волн с меньшим поперечным размером.

5) Воздействие турбулентных пульсаций в газовой фазе ведет к генерации "выбросов" турбулентности внутри пленки жидкости под задним склоном первичной волны. Отражаясь от стенки в сторону поверхности, данное возмущение порождает вторичные волны.

1.5 Дисперсно-кольцевое течение 1.5.1 Волны возмущения и волны ряби

Течение пленки жидкости по стенкам канала, обдуваемой высокоскоростным потоком газа с присутствием в потоке капель жидкости, уносимых с поверхности пленки называют дисперсно-кольцевым. Поверхность пленки при таком режиме течения покрыта двумя типами волн: крупномасштабными волнами возмущения, амплитуда которых в несколько раз превосходит среднюю толщину пленки и мелкими волнами ряби, которые покрывают всю поверхность пленки, включая волны возмущения. Помимо амплитуды, волны возмущения превосходят волны ряби по скорости, продольному и поперечному размеру, а также по времени жизни (без слияния волны проходят большие расстояния вниз по течению).

Изучением свойств волн возмущения ученые занимаются с середины прошлого века. Профили толщины пленки, в большинстве случаев, были получены с помощью экспериментальных методик с низким пространственным разрешением, такими как метод проводимости. Поэтому считалось, что форма волны представляет собой гладкий горб с высокой амплитудой, крутым передним и пологим задним фронтами. С развитием экспериментальных методик, имеющих высокое пространственное разрешение представление о форме волны поменялось: волна возмущения представляет собой плоское

"плато", покрытое высокоамплитудной рябью (Hewitt et al., 1990; Schubring et al., 2010; Zadrazil et al., 2014). В указанных работах локальная толщина пленки жидкости измерялась с помощью теневого метода и метода планарной лазерно-индуцированной флуоресценции (ПЛИФ).

Alekseenko et al. (2009b) использовали высокоскоростную реализацию метода лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) для получения мгновенных профилей толщины пленки жидкости в одном продольном сечении. Было обнаружено, что волны ряби рождаются на задних склонах волн возмущения. Сценарий эволюции волны ряби зависит от положения точки генерации на склоне волны возмущения. Если рябь появилась ближе к "хвосту" волны, то она будет распространяться медленнее, чем породившая ее волна возмущения, пока следующая волна не поглотит ее ("медленная рябь"). Если точка генерации находится ближе к горбу волны возмущения, то она начинает двигаться по поверхности к ее фронту, затем отрываясь в виде капель жидкости ("быстрая рябь"). Впервые разрушение быстрой ряби потоком газа наблюдалось в работе Woodmansee and Hanratty (1969).

Авторами работы Alekseenko et al. (2009b) была выдвинута гипотеза, объясняющая механизм генерации волн быстрой и медленной ряби наличием вихревого движения жидкости внутри волны возмущения. Однако, наличие вихревого движения в волнах было подтверждено экспериментально лишь для пленок жидкости, стекающих в отсутствие газового потока (Alekseenko et al., 2007; Zadrazil and Markides, 2014).

1.5.2 Эфемерные волны

Помимо волн возмущения и волн ряби, по поверхности пленки распространяются, так называемые, эфемерные волны - волны сопоставимые с волнами возмущения по масштабу, но имеющие меньшую скорость. Впервые эти волны обнаружили авторы работы Sekoguchi et al. (1985) при больших расходах жидкости. В статье Wolf et al. (1996) была выдвинута гипотеза, что эфемерные волны есть ни что иное, как развивающиеся волны возмущения.

Поперечный размер эфемерных волн часто ограничен по поперечной координате, что говорит от том, что форма волн не является кольцевой (Sekoguchi and Takeishi, 1989; Wolf et al., 1996). Частота эфемерных волн растет увеличением расхода жидкости.

Из представленных изображений работы Sekoguchi et al. (1985) видно, что эфемерные волны рождаются на заднем склоне волны возмущения и распространяются с меньшей скоростью. В недавней работе Alekseenko et al. (2015) показано, что формирование крупных эфемерных волн происходит благодаря слиянию более мелких волн "медленной" ряби, рождающихся на заднем склоне волны возмущения. Также предполагается, что эфемерная волна может эволюционировать в "полноценную" волну возмущения, если у нее будет достаточно времени для развития и ускорения, чтобы ее не поглотила следующая за ней волна возмущения.

1.5.3 Связь уноса жидкости с волнами возмущения. Механизмы уноса.

Авторы работы Azzopardi and Whalley (1980) провели эксперимент, подтверждающий, что наличие волн возмущения необходимо для уноса жидкости. Во время съемки осуществлялось кратковременное увеличение расхода жидкости, необходимое для рождения одной волны возмущения. По мере приближения волны к области измерения наблюдалось увеличение числа капель жидкости, а после прохождения волны количество капель стремилось к нулю.

В работе Woodmansee and Hanratty (1969) говорится, что источником уноса являются мелкомасштабные волны, движущиеся по поверхности волн возмущения. Помимо этой причины существует еще ряд гипотез, объясняющих унос жидкости: (а) вторичный брызгоунос при ударе осаждающихся на поверхность пленки капель жидкости, (б) схлопывание пузырьков газа, захваченных пленкой жидкости и (в) унос части жидкости при слиянии волн возмущения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Исаенков Сергей Владимирович, 2019 год

Список литературы

1. Alekseenko S V, Nakoryakov V E and Pokusaev B G 1994 Wave Flow of Liquid Films (New York: Begell House).

2. Alekseenko S V and Nakoryakov V E 1995 Instability of a liquid film moving under the effect of gravity and gas flow Int. J. Heat Mass Transfer 38 2127-34

3. Alekseenko S.V., Antipin V.A., Bobylev A.V., Markovich D.M., 2007. Application ofPIV to velocity measurements in a liquid film flowing down an inclined cylinder Exp. Fluids, 43: 197207

4. Alekseenko S.V., Aktershev S.P., Cherdantsev A.V., Kharlamov S.M., Markovich D.M., 2009a. Primary instabilities of liquid film flow sheared by turbulent gas stream. Int. J. Multiphase Flow, 35: 617-27.

5. Alekseenko, S.V., Antipin, V.A., Cherdantsev, A.V., Kharlamov, S.M., Markovich, D.M., 2009b. Two-wave structure of liquid film and waves interrelation in annular gas-liquid flow with and without entrainment. Phys. Fluids 21, 061701-061704.

6. Alekseenko S V, Cherdantsev A V, Heinz O M, Kharlamov S M, Markovich D M, 2011. An image analysis method as applied to study the space-temporal evolution of waves in an annular gas-liquid flow. Pattern Recognition and Image Analysis 21:441-445

7. Alekseenko,S.V., Cherdantsev,A.V., Heinz,O.M., Kharlamov,S.M., Markovich, D.M., 2013a. Analysis of spatial and temporal spectra of liquid film surface in annular gas-liquid flow. Exp. Fluids 54, 1590-1602.

8. Alekseenko S V, Cherdantsev A V, Heinz O M, Kharlamov S M and Markovich D M 2013b. Application of the image-analysis method to studies of the space-time wave evolution in an annular gas-liquid flow Pattern Recognition Image Analysis 23 35-43

9. Alekseenko, S.V. , Cherdantsev, A.V. , Heinz, O.M. , Kharlamov, S.M. , Markovich, D.M. ,

2014. Analysis of spatial and temporal evolution of disturbance waves and ripples in annular gas-liquid flow. Int. J. Multiphase Flow 67, 122-134 .

10. Alekseenko, S.V. , Cherdantsev, A.V. , Cherdantsev, M.V. , Isaenkov, S.V. , Markovich, D.M. ,

2015. Study of formation and development of disturbance waves in annular gas-liquid flow. Int. J. Multiphase Flow 77, 65-75 .

11. Al-Sarkhi A., Sarica C., Magrini K., 2012. Inclination effects on wave characteristics in annular gas-liquid flows. AIChE J., 58: 1018-1029.

12. Andreussi P., Asali J.C., Hanratty T.J., 1985. Initiation of roll waves in gas-liquid flows. AlChE J., 31: 119-126.

13. Antipin V.A., Zaichik L.I., Zeigarnik Y.A., Markovich D.M., Solov'ev S.L., Stonik O.G., Kharlamov S.M., Cherdantsev A.V., 2003. The development of a three-fluid model of two-phase flow for dispersed-annular mode of flow in channels: film thickness and pressure drop. High. Temp., 41: 399-403.

14. Asali J.C., Hanratty T.J., 1993. Ripples generated on a liquid film at high gas velocities Int. J. Multiphase Flow 19 229-243.

15. Ayati, A. A., Farias, P. S. C., Azevedo, L. F. A., & de Paula, I. B. (2017). Characterization of linear interfacial waves in a turbulent gas-liquid pipe flow. Physics of Fluids, 29(6), 062106.

16. Azzopardi B.J., Whalley P.B. Artificial waves in annular two-phase flow. ASME Winter Annual Meeting, Chicago, 1980. Basic Mechanisms in Two-Phase Flow and Heat Transfer. P.1-8.

17. Azzopardi, B.J., 1983. Mechanisms of entrainment in annular two phase flow. UKAEA Report AERE-R 11068

18. Azzopardi, B.J., 1986. Disturbance wave frequencies, velocities and spacing in vertical annular two-phase flow. Nucl. Eng. Des. 92, 121-133.

19. Azzopardi, B.J., 1997. Drops in annular two-phase flow. Int. J. Multiphase Flow 23, 1-53.

20. Belt R.J., Van't Westende J.M.C., Portela L.M.,. 2009. Prediction of the interfacial shear-stress in vertical annular flow. Int. J. Multiphase Flow, 35: 689-697.

21. Belt, R.J., Van't Westende, J.M.C., Prasser, H.-M., Portela, L.M., 2010. Time and spatially resolved measurements of interfacial waves in vertical annular flow. Int. J. Multiphase Flow 36, 570-587.

22. Benjamin, T.B., 1957. Wave formation in laminar flow down an inclined plane. J. Fluid Mech. 2, 554-574.

23. Benjamin T B 1959 Shearing flow over a wavy boundary J. Fluid Mech. 6 161-205

24. Canny J., 1986. A Computational Approach to Edge Detection. IEEE Trans. Pattern Anal. Machine Intell. PAMI 8, No. 6, 679-698.

25. Chang H.-C., Demekhin, E.A., Saprykin, S.S., 2002. Noise-driven wave transitions on a vertically falling film. J. Fluid Mech. 462: 255-83.

26. Cherdantsev, A.V. , Hann, D.B. , Azzopardi, B.J. , 2014. Study of gas-sheared liquid film in horizontal rectangular duct using high-speed LIF technique: three-dimen- sional wavy structure and its relation to liquid entrainment. Int. J. Multiphase Flow 67, 52-64 .

27. Cherdantsev, A.V., Cherdantsev, M.V., Isaenkov, S.V., Markovich, D.M., 2017. Study of development of disturbance waves in annular gas-liquid flow. J. Phys.: Conf. Series, 899: 032008.

28. Chu, K.J., Dukler, A.E., 1974. Statistical characteristics of thin, wavy films: Part II. Studies of the substrate and its wave structure. AIChE J. 20, 695-706.

29. Chu, K.J., Dukler, A.E., 1975. Statistical characteristics of thin, wavy films: Part III. Structure of the large waves and their resistance to gas flow. AIChE J. 21, 583-593.

30. Clark, W.W., Campbell, G.B., Hills, J.H., Azzopardi, B.J., 2001. Viscous effects on the interfacial structure of falling liquid film/co-current gas systems. In: 4th Int. Conf. Multiphase Flow, 27 May - 1 June 2001, New Orleans, USA.

31. Cohen, L.S., Hanratty, T.J., 1968. Effect of waves at a gas-liquid interface on a turbulent air flow. J. Fluid Mech. 31, 467-479.

32. Craik, A.D.D., 1966. Wind-generated waves in liquid films. J. Fluid Mech. 26, 369-392.

33. Damsohn M., Prasser H.M., 2009. High-speed liquid film sensor for two-phase flows with high spatial resolution based on electrical conductance. Flow Meas. Instrum. 20: 1 -14.

34. Farias, P.S.C., Martins, F.J.W.A., Sampaio, L.E.B., Serfaty, R. and Azevedo, L.F.A., 2012. Liquid film characterization in horizontal, annular, two-phase, gas-liquid flow using time-resolved laser induced fluorescence. Experiments in Fluids, Vol. 52, pp. 633-645.

35. Floryan, J.M., Davis, S.H., Kelly, R.E., 1987. Instabilities of a liquid film flowing down a slightly inclined plane. Phys. Fluids, 30: 983.

36. Gill L.E., Hewitt G.F., Hitchon J.W., Lacey P.M.C., 1963. Sampling probe studies of the gas core in annular two-phase flow—I the effect of length on phase and velocity distribution. Chem Engng Sci, 18: 525-535.

37. Gill, L. E., & Hewitt, G. F. (1965). Data on the upwards annular flow of air-water mixtures. Chemical Engineering Science, 20(2), 71-88.

38. Hall Taylor, N., Hewitt, G.F., Lacey, P.M.C., 1963. The motion and frequency of large disturbance waves in annular two-phase flow of air-water mixtures. Chemical Engineering Science, 18: 537-552.

39. Hall Taylor, N.S., Nedderman, R.M., 1968. The coalescence of disturbance waves in annular two phase flow. Chem. Eng. Sci. 23, 551-564.

40. Hagiwara Y, Miwada T and Suzuki K 1985 Heat transfer and wave structure in the developing region of two-component two-phase annular flow PhysicoChemical Hydrodynamics 6 141-156.

41. Han H., Zhu Z., Gabriel K., 2006. A study on the effect of gas flow rate on the wave characteristics in two-phase gas-liquid annular flow. Nucl. Eng. Design, 236: 2580-2588

42. Hanratty T.J., Engen J.M., 1957. Interaction between a turbulent air stream and a moving water surface. AIChE J., 3: 299-304.

43. Hanratty T.J., Hershman A.,1961. Initiation of roll waves. AIChE J., 7: 488-497.

44. Hanratty, T.J., 2013. Physics of gas-liquid flows. Cambridge University Press, UK.

45. Hewitt G.F., Lovegrove P.C., Nicholls B., 1964. Film thickness measurement using a fluorescence technique I: Description of the method. UKAEA Report AERE-R4478, Harwell, UK.

46. Hewitt, G.F., Hall Taylor, N.S., 1970. Annular Two-phase Flow. Pergamon, Oxford.

47. Hewitt, G.F., Jayanti, S., Hope, C.B., 1990. Structure of thin liquid films in gas-liquid horizontal flow. Int. J. Multiphase Flow, 16: 951-957.

48. Isaenkov, S.V., Cherdantsev A.V., Vozhakov I.S., Cherdantsev M.V., Arkhipov D.G., Markovich, D.M., 2019. Study of primary instability of thick liquid films under strong gas shear. Int. J. Multiphase Flow, 11: 62-81

49. Ishii, M., Grolmes, M. A., 1975. Inception criteria for droplet entrainment in two-phase concurrent film flow, AIChE J., 21: 308-318.

50. Ishii, M., & Mishima, K. (1984). Two-fluid model and hydrodynamic constitutive relations. Nuclear Engineering and design, 82(2-3), 107-126.

51. Jayanti, S., Hewitt, G. F., & White, S. P. (1990). Time-dependent behaviour of the liquid film in horizontal annular flow. International journal of multiphase flow, 16(6), 1097-1116.

52. Kharlamov S.M., Guzanov V.V., Bobylev A.V., Alekseenko S.V., Markovich D.M., 2015. The transition from two-dimensional to three-dimensional waves in falling liquid films: Wave patterns and transverse redistribution of local flow rates. Phys. Fluids, 27: 114106.

53. Krantz, W.B., Goren, S.L., 1971. Stability of thin liquid films flowing down a plane. Ind. Eng. Chem. Fundam. 10 (1), 91-101.

54. Kunugi, T. (2018). Summary: Study on wavy interface behavior and droplet entrainment of annular two-phase flow in rod bundle geometry with spacers. Nuclear Engineering and Design, 336, 45-53.

55. Leman, G.W. , Agostini, M. , Andreussi, P. , 1985. Tracer analysis of developing two-phase annular flow. PCH Phys. Chem. Hydrodyn. 6 (1/2), 223-237.

56. Liu, J., Paul, J.D., Gollub, J.P., 1993. Measurement of the primary instabilities of film flow. J. Fluid Mech. 250, 69-101.

57. Martin, C.J., Azzopardi, B.J., 1985. Waves in vertical annular flow. Phys. Chem. Hydrodyn. 6(1/2), 257-265.

58. Miesen, R., Boersma, B.J., 1995. Hydrodynamic stability of the sheared liquid film. J. Fluid Mech. 301, 175-202.

59. Miles, J.W., 1959. On the generation of surface wave by shear flow. J. Fluid Mech. 6 (4), 568 -598.

60. Ohba K., Nagae, K., 1993. Characteristics and behavior of the interfacial wave on the liquid film in a vertically upward air-water two-phase annular flow. Nucl. Eng. Des., 141: 17-25.

61. Okada, O., Fujimatsu, T., Fujita, H., Nakajima, Y., 1995. Measurement of droplet size distribution in an annular mist flow in a vertical pipe by immersion liquid method. In: Proc. 2nd. Int. Conf on Multiphase Flow, Kyoto, vol. 1, pp. IP2/11-IP2/18.

62. Pan, L.-M., He, H., Ju, P., Hibiki, T., Ishii, M., 2015. Experimental study and modeling of disturbance wave height of vertical annular flow. International Journal of Heat and Mass Transfer, 89: 165-175.

63. Pham, S.H., Kawara, Z., Yokomine, T., Kunugi, T., 2014. Detailed observations of wavy interface behaviors of annular two-phase flow on rod bundle geometry. International Journal of Multiphase Flow, 59: 135-144.

64. Pham, S. H., Kawara, Z., Yokomine, T., & Kunugi, T. (2015). Measurements of liquid film and droplets of annular two-phase flow on a rod-bundle geometry with spacer. International Journal of Multiphase Flow, 70, 35-57.

65. Pierson, F.W., Whitaker, S., 1977. Some theoretical and experimental observations of the wave structure of falling liquid films. Ind. Eng. Chem. Fundam. 16 (4), 401-408.

66. Ruyer-Quil C and Manneville P 2000 Improved modeling of flows down inclined planes The European Physical Journal B-Condensed Matter and Complex Systems 15 357-369.

67. Sawant, P. , Ishii, M. , Mori, M. , 2008. Droplet entrainment correlation in vertical up- ward cocurrent annular two-phase flow. Nucl. Eng. Des. 238, 1342-1352

68. Sawant, P., Ishii, M., Hazuku, T., Takamasa, T., Mori, M., 2008. Properties of disturbance waves in vertical annular two-phase flow. Nucl. Eng. Des. 238, 3528-3541.

69. Schubring, D., Ashwood, A.C., Shedd, T.A., Hurlburt, E.T., 2010a. Planar laser-induced fluorescence (PLIF) measurements of liquid film thickness in annular flow. Part I: Methods and data. International Journal of Multiphase Flow, 36: 815-824

70. Schubring, D., Shedd, T.A., Hurlburt, E.T., 2010b. Planar laser-induced fluorescence (PLIF) measurements of liquid film thickness in annular flow. Part II: Analysis and comparison to models. Int. J. Multiphase Flow 36, 825-835.

71. Schubring, D., Shedd, T.A., Hurlburt, E.T., 2010c. Studying disturbance waves in vertical annular flow with high-speed video. Int. J.Multiphase Flow 36 (5), 385-396.

72. Sekoguchi, K., Takeishi, M., Ishimatsu, T., 1985. Interfacial structure in vertical upward annular flow. Phys. Chem. Hydrodyn. 6 (1/2), 239-255.

73. Sekoguchi K., Takeishi M., 1989. Interfacial structures in upward huge wave flow and annular flow regimes. Int. J. Multiphase Flow, 15: 295-305.

74. Seno, K., Ishioka, T., Harata, A., & Hatano, Y. (2002). Photoionization of rhodamine dyes adsorbed at the aqueous solution surfaces investigated by synchrotron radiation. In Analytical

Sciences/Supplements Proceedings of IUPAC International Congress on Analytical Sciences 2001 (ICAS 2001) (pp. i1177-i 1179). The Japan Society for Analytical Chemistry.

75. Stucheli, A., Ozisik, M.N., 1976. Hydrodynamic entrance lengths of laminar falling films. Chem. Eng. Sci. 31 (5), 369-372.

76. Suzuki K., Hagiwara Y., Sato T., 1983. Heat transfer and flow characteristics of two-phase two component annular flow Int. J. Heat Mass Transfer 26: 597-605.

77. Taitel, Y., Barnea, D., Dukler, A.E., 1980 Modelling flow pattern transitions for steady upward gas-liquid flow in vertical tubes, AIChE J. 26, 345-354.

78. Tekis, M.N., Posarac, D., Petrovic, D., 1984. Entrance region lengths of laminar falling films. Chem. Eng. Sci., 39(1): 165-167.

79. Thwaites, G. R., Kulov, N. N., & Nedderman, R. M. (1976). Liquid film properties in two-phase annular flow. Chemical Engineering Science, 31(6), 481-486.

80. Trifonov Y.Y., 2014. Wavy liquid film in the presence of co- or counter-current turbulent gas flow. Thermo physics and Aeromechanics, 21: 319-36

81. Vozhakov I, Cherdantsev A, Arkhipov D. Modelling secondary instability of co-current gas-sheared thin film. Fluid Dynamics Research. - 2016. Vol. 48, No. 6. - P. 061420.

82. Wang, Z., Gabriel, K. S., & Manz, D. L. (2004). The influences of wave height on the interfacial friction in annular gas-liquid flow under normal and microgravity conditions. International journal of multiphase flow, 30(10), 1193-1211.

83. Webb D.R., Hewitt G.F., 1975. Downwards co-current annular flow. Int. J. Multiphase Flow, 2: 35-49.

84. Wolf A., Jayanti S., Hewitt,G.F.,1996.On the nature of ephemeral waves in vertical annular flow. Int. J. Multiphase Flow, 22: 325-333.

85. Wolf, A., Jayanti, S., Hewitt, G.F., 2001. Flow development in vertical annular flow, Chem. Eng. Sci., 56: 3221-3235.

86. Woodmansee, D.E., Hanratty, T.J., 1969a. Mechanism for the removal of droplets from a liquid surface by a parallel air flow. Chemical Engineering Science, 24: 299-307.

87. Zadrazil, I., Markides, C.N., 2014. An experimental characterization of liquid films in downwards co-current gas-liquid annular flow by particle image and tracking velocimetry. International Journal of Multiphase Flow, 67: 42-53

88. Zadrazil, I., Matar, O.K., Markides, C.N., 2014. An experimental characterization of downwards gas-liquid annular flow by laser-induced fluorescence: Flow regimes and film statistics. International Journal of Multiphase Flow 60 (2014) 87-102

89. Zhao, Y., Markides, C.N., Matar, O.K., Hewitt, G.F., 2013. Disturbance wave development in twophase gas-liquid upwards vertical annular flow. Int. J. Multiphase Flow 55, 111-129.

90. Алексеенко, С.В., Накоряков, В.Е., Покусаев, Б.Г., 1992. Волновое течение пленок жидкости. Новосибирск: Наука.

91. Гешев, П.И., 1981. Линейная модель пристенного турбулентного переноса. Препринт, 7381. Новосибирск.

92. Черданцев, А.В., Исследование свойств волн возмущения и капиллярной ряби в дисперсно- кольцевом течении. Дисс. канд. физ.-мат. наук, Новосибирск, 2006.

93. Шкадов, В.Я., 1967. Волновые режимы течения слоя вязкой жидкости под действием силы тяжести. Изв. АН СССР. МЖГ, 1: 43-51.