ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Волновой режим течения пленки из "Механика двухфазных систем " Исследователи уже давно замечали, что поверхность стекающих пленок часто имеет характер волнового, возмущенного движения, однако природа этого явления долгое время оставалась невыясненной. [c.162] В 1948—1949 гг. появились две статьи П.Л. Капицы [14, 15], которые оказались основополагающими в изучении проблемы волнового режима течения жидких пленок. В первой из них [14] была изложена приближенная теоретическая схема описания закономерностей развитого волнового течения. В частности, отмечалось, что волновой режим течения является основным гидродинамическим режимом для стекающих пленок. Во второй [15] были представлены экспериментальные результаты измерений характеристик волнового течения пленок по вертикальной поверхности. Эти работы стимулировали последующие исследования как теоретического. [c.162] На рис. 4.3 представлена типичная картина развития волнового течения при стекании пленки по наружной поверхности вертикальной трубы [1]. Вблизи места подачи жидкости имеется режим с гладкой поверхностью. Затем на пленке возникают так называемые двумерные (кольцевые) волны. Далее они переходят в более беспорядочные трехмерные волны с весьма значительными амплитудами. [c.163] На рис. 4.4 представлены типовые профили пленок в режиме волнового течения, которые наблюдаются в экспериментах [1]. Такого рода профили можно назвать естественными , ибо они образуются при течении с равномерным расходом без какого-либо искусственного стимулирования волнового режима. В ряде экспериментов [1, 15] двумерные волны специально возбуждались за счет небольших пульсаций расхода. Было установлено, что при заданном среднем объемном расходе Гд = onst существует диапазон частот. [c.163] Интерес представляет картина движения отдельных частиц жидкости, расположенных в данный момент в различных местах волновой пленки. Наибольшей скоростью обладают частицы жидкости, находяш,ейся вблизи свободной поверхности гребней волн. В промежутках между гребнями, где толщина пленки минимальна, отдельные частицы жидкости останавливаются и даже приобретают на некоторое время обратное движение. Вместе с тем до чисел Рейнольдса, меньших 1600 сколь-нибудь заметного турбулентного перемешивания жидкости в пленке не наблюдается. Волновое течение представляет собой слоистое пульсирующее течение жидкости. [c.165] Напротив, проблема устойчивости ламинарного течения пленки с гладкой поверхностью в рамках классической линейной теории устойчивости решается достаточно строго. Результаты анализа представляют определенный интерес. [c.165] Возмущенные значения скорости и давления также пропорциональны множителю Q p ikx - /со О- Описание возмущенного движения осуществляется на основе полных уравнений Навье—Стокса при сохранении во всех соотношениях тех членов, в которые возмущенные величины входят лишь в первой степени (отсюда название линейная теория ). С точностью до линейных по возмущениям величин записываются и граничные условия на стенке и свободной поверхности пленки. Последние учитывают действие силы поверхностного натяжения (из-за искривления поверхности). Предполагается также, что трение на свободной поверхности пленки равно нулю. Линейная теория описывает полностью (с точностью до абсолютного значения амплитуд возмущенных величин) возникающее движение и позволяет установить значение частот со при известных волновых числах к и остальных параметрах задачи. Исследование этой зависимости и составляет центральную задачу линейной теории устойчивости. [c.166] Этот результат физически нетрудно понять, если учесть, что по мере увеличения длины волны X при заданном возмущении толщины пленки кривизна возмущенной поверхности падает. При Х- возмущенная поверхность все меньше отличается от гладкой, и стабилизирующее действие поверхностного натяжения перестает действовать. Таким образом, учет поверхностного натяжения не устраняет неустойчивость, а лишь сдвигает ее в область больших длин волн. [c.168] Подчеркнем, что расчет по соотношению (4.25) предполагает отсутствие конвективного переноса тепла, и эффект интенсификации здесь определяется целиком очертаниями пленки. [c.169] Еще одна проблема устойчивости жидких пленок едва ли получит в обозримом будущем строгое теоретическое объяснение. Речь идет об определении минимального расхода, при котором пленка сохраняет сплошность. Практическая невозможность количественно описать адгезионные свойства твердой поверхности, по которой течет жидкость, заставляет ограничиваться эмпирическими оценками минимального расхода [5]. [c.172] Теоретическая непредсказуемость этого параметра особенно наглядна из-за так называемого гистерезиса смачивания , т.е. различия в определенных опытным путем краевых углах смачивания при натекании и оттекании жидкости. Из-за этого эффекта минимальный расход жидкости, обеспечивающий сплошность пленки, натекающей на сухую поверхность, всегда намного больше, чем тот минимальный расход, при котором начинается распад сплошной пленки на ручейки. Ясно, что традиционный анализ устойчивости, рассмотренный выше, не может предсказать потерю сплошности пленки. Уравнение (4.20) дает верхнюю границу расхода, при которой пленка сохраняет устойчивость, а при распаде пленок на ручейки необходимо определить нижнюю границу устойчивости (сплошности) пленки. [c.172] Вернуться к основной статье