Численное моделирование режимов течения жидкой пленки в тепломассообменных аппаратах при малых числах Рейнольдса

Введение. Тепломассообменные аппараты, в которых реализуется течение тонких слоев вязких жидкостей, широко применяются в различных областях промышленности (химической, нефтехимической, энергетической, пищевой и др.). Эффективность использования пленочных аппаратов (пленочные ректификаторы, абсорберы, парогенераторы и др.) связана с большой поверхностью контакта при малых удельных расходах жидкости. Цель работы. Численное исследование волновых характеристик течения тонкого слоя вязкой жидкости в условиях свободного стекания пленки и испарения жидкости. Материалы и методы. В работе представлены результаты численного моделирования течения вертикальной жидкой пленки воды со свободной поверхностью при малых числах Рейнольдса в рамках дифференциального уравнения в частных производных для отклонения свободной поверхности пленки от невозмущенного состояния. Коэффициенты уравнения включают различные физико-химические факторы, в частности, параметр поверхностного натяжения, параметр влияния градиентов температуры. Представлена аналитическая зависимость для критических значений параметра Марангони. Течение жидкой пленки исследовано как при свободном стекании, так и при испарении. Учтено влияние в пленке жидкости градиентов температуры, приводящих к расширению области неустойчивости и изменяющих параметры волнового течения жидкой пленки (частоту, инкремент, фазовую скорость). Для расчета волновых параметров, областей неустойчивости жидких пленок используется утилита, разработанная на языке C++. Результаты. Проведены вычислительные эксперименты для вертикальной пленки воды как в режиме свободного стекания, так и в процессе испарения. В результате вычислительных экспериментов выделены режимы течения жидкой пленки с максимальным значением инкремента, такие режимы зафиксированы в экспериментальных исследованиях других ученых. Рассчитаны критические значения параметра Марангони, при котором достигается эффект разрыва жидкой пленки. Заключение. В условиях процесса испарения происходит увеличение значений инкремента и снижение фазовой скорости, что ускоряет эффект разрыва жидкой пленки в тепломассообменных аппаратах и образование на их поверхности «сухого пятна». Ввиду широкого распространения промышленных пленочных аппаратов, в которых используется испаряющаяся пленка (испарители, выпарные аппараты), исследование течений жидких пленок актуально, его результаты могут быть использованы при конструировании или модернизации существующего оборудования, а также при разработке технологических процессов в жидких пленках.