Исследование пузыревидного распада замкнутого вихревого потока несмешиваемых жидкостей

Автор: Булат Руфкатович Шарифуллин

Соавторы: Наумов И.В.

Организация: Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН

Моделирование режимов работы вихревых реакторов необходимо для интенсификации тепло- и массопереноса. Особое внимание при исследовании ограниченных вихревых течений уделяется изучению распада вихря из-за важных приложений в химических, биологических и энергетических технологиях. Изучение природы распада вихря часто проводится в цилиндрическом контейнере, из-за канонической формы геометрии и малого количества определяющих параметров. Сравнительно недавно внимание исследователей привлекли двух-жидкостные вращающиеся течения в связи с развитием вихревых биореакторов. Для повышения эффективности работы вихревых устройств, таких как вихревые биореакторы, необходимо комплексное исследование структуры вихревых течений и процессов массопереноса.

В работе было проведено экспериментальное исследование структуры вихревого течения двух несмешиваемых жидкостей в замкнутом цилиндрическом контейнере. В работе показано, что распад вихря в зависимости от свойств и объемов жидкостей может происходить (а) в верхней [1], (б) в нижней [2] или (в) в обеих жидкостях одновременно. Опыты проводились в цилиндрическом контейнере с радиусом R = 45 мм и высотой h = 2,5R с верхним торцом, вращающимся с угловой скоростью ω. В качестве верхней жидкости использовалось подсолнечное масло (r_о = 920 кг/м³, n_о = 49 мм²/с), нижней - водный раствор глицерина. Толщина слоя верхней жидкости h_o = 1R, а нижней h_g = 1.5R. Скорость вращения характеризуется числом Рейнольдса Re = ωR²/ν_о. Для изучения структуры потока применялся метод цифровой трассерной визуализации.

На рисунке 1(а) показан пример распада вихря, наблюдаемый в верхней жидкости при Re = 800, в то время как в нижней жидкости (водный раствор глицерина с ρ_g = 1208 кг/м³ и ν_g = 43 мм²/с) распада вихря не происходит. На рисунке 1(б) показан распад вихря в нижней жидкости (дистиллированная вода) при Re = 300. На рисунке 1(в) показан распад вихря в верхней и в нижней жидкости (водный раствор глицерина с ρ_g = 1070 кг/м³ и ν_g = 3 мм²/с) при Re = 700. Таким образом, двух-жидкостный вихревой поток можно эффективно контролировать, выбирая соответствующие объемы и свойства жидкостей.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 18-08-00508.

Список литературы:

1.    Naumov I.V., Glavny V.G., Sharifullin B.R., Shtern V.N. Formation of a thin circulation layer in a two-fluid rotating flow // Phys. Rev. Fluids, 2019, vol. 4, 054702.

2.    Naumov I.V., Sharifullin B.R., Shtern V.N. Vortex breakdown in the lower fluid of two-fluid swirling flow // Phys. Fluids, 2020, vol. 32, 014101.