Капиллярная неустойчивость при интенсивном испарении

Ввод жидких сильно испаряющихся капиллярных струй в среду с низким давлением, как часть технологического процесса, производится в различных технических и научных применениях. Следует отметить, что происходящие при вводе струи испаряющейся жидкости в вакуум эффекты мало изучены и требуют дополнительного исследования, как теоретического, так и экспериментального.

Среди этих эффектов следует особо отметить различного вида неустойчивости струи, проявляющиеся в изменении геометрии струи.

Эксперимент

Эффект загиба струи при интенсивном испарении

 

 

- Вляние давления в вакуумной камере на угол загиба струи (диаметр сопла 400 мкм, скорость 3.1 м/сек.)
1 - давление в вакуумной камере 465 Па
2 - давление в вакуумной камере 500 Па
3 - давление в вакуумной камере 750 Па

 

 


- Влияние давления в вакуумной камере на угол загиба струи (диаметр сопла 150 мкм, скорость 3.2 м/сек.)
1 - давление в вакуумной камере 174 Па
2 - давление в вакуумной камере 118 Па
3 - давление в вакуумной камере   70 Па

 

 

 

 

- Вляние диаметра струи на угол загиба струи (скорость струи 2.5 м/сек., давление в вакуумной камере 200 Па)
1 - диаметр сопла 100 мкм
2 - диаметр сопла 200 мкм
3 - диаметр сопла 400 мкм

 

 

 

- Влияние скорости струи на угол загиба струи (диаметр струи 100 мкм, давление в вакуумной камере 200 Па)
1 - скорость струи    1 м/сек
2 - скорость струи 2.5 м/сек
3 - скорость струи 3.2 м/сек

 

 Для изучения поведения струй и потоков капель сильно испаряющихся жидкостей в среде низкого давления разработана и создана экспериментальная установка. Работая с модельной жидкостью можно изучать процессы, происходящие при вводе струй сильно испаряющихся жидкостей в вакуум.

Экспериментальная установка состоит из следующих систем:

  • Система подачи рабочей жидкости в вакуумную камеру
  • Вакуумная система
  • Система измерения и контроля параметров эксперимента

Система визуализации струи и определения ее параметров

При проведении экспериментов модельная жидкость инжектируется жидкости в вакуумную камеру. Инжектирование проводится через фильеры различных диаметров, от 50 до 400 мкм, со скоростями струи 1-4 м/сек. В вакуумной камере поддерживается давления порядка давления тройной точки воды (610,8 Па) и ниже. Для изучения поведения струй и потоков капель используется стробоскопическое освещение и импульсная вспышка. На наблюдательных окнах, для записи изображения струи в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, размещаются телекамеры. Изображение с каждой из телекамер обрабатывается с помощью специально разработанного программного обеспечения, и определяются: диаметр струи и капель, длина нераспавшейся части струи, отклонение струи от вертикального положения, скорость отрывающихся капель.

Экспериментально обнаружен эффект отклонения струи от первоначального вертикального положения. Сначала струя вытекает из сопла генератора вертикально, а затем отклоняется от вертикали, причем угол поворота может быть значительным. Данный эффект (эффект «загиба струи») появляется при давлениях в вакуумной камере близких к давлению тройной точки. Причём, угол загиба струи на струях малого диаметра больше, чем угол загиба струи на струях большого диаметра. При уменьшении скорости струи угол загиба увеличивается.

 

 

- Экспериментальный стенд

 

 

 
Необходимо отметить, что направление загиба выбирается струей случайным образом. Однако выбранное направление при малой величине загиба со временем не меняется. При больших углах загиба наблюдается периодическое скачкообразное изменение направления, а также колебания нераспавшейся части струи.

Обнаруженный в ходе работ эффект загиба струи еще недостаточно изучен и требует проведения дополнительных исследований. Данный эффект осложняет создание многих устройств, в которых происходит инжектирование жидкости в среду с низким давлением, в частности криогенной корпускулярной мишени.

Дальнейшие исследования этого эффекта могут позволить найти способы предотвратить его возникновение.

Публикации

 1. Исследование функции распределения монодисперсных капель, используемых в установках жидкость-газ, по скорости и величине заряда. // А.В. Бухаров, Д.П. Дмитриев. Доклад на РНКТ-4, 2002.

2. Исследование поведения капиллярных сильноиспаряющихся струй жидкости в условиях вакуума. // А.В. Бухаров, А.А. Семенов. Вестник МЭИ №6, М: Издательство МЭИ, 2003.

/