Исследование вихревого движения несмешиваемых жидкостей в цилиндре с верхним и нижним вращающимся торцом

Автор: Булат Руфкатович Шарифуллин

Соавторы: С.Г. Скрипкин, И.В. Наумов

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

Моделирование режимов работы вихревых реакторов необходимо для интенсификации тепло- и массопереноса. Вихревое перемешивание является распространённым методом интенсификации химических и биологических процессов [1]. Сравнительно недавно внимание исследователей привлекли двухфазные вращающиеся течения в связи с развитием газо-вихревых биореакторов. В отличие от традиционных биореакторов газо-вихревой способ перемешивания лишён основных недостатков таких, как механическое воздействие на выращиваемую культуру, низкий газовый массообмен, наличие застойных зон. Удобной моделью биореактора является вертикальный цилиндрический контейнер, где движение рабочей жидкости генерируется через некоторую жидкую или газообразную среду вращением одного из торцевых дисков [2].

В работе было проведено экспериментальное исследование структуры вихревого течения двух несмешиваемых жидкостей в закрытом вертикальном цилиндрическом контейнере с вращающимся торцом (рис. 1 (а)). Проведено сравнение структуры течения в зависимости от закрутки потока (I) верхним или (II) нижним торцом цилиндра. Исследования вихревого движения проводились в цилиндрических стеклянных контейнерах различного диаметра (90-150 мм). Использовались две несмешиваемые жидкости: (I) водный раствор глицерина с кинематической вязкостью n_g = 3 мм²/с и подсолнечное масло с n_o = 49 мм²/с, (II) водный раствор глицерина с n_g = 70 мм²/с и полиметилсилоксановое масло с n_o = 8 мм²/с.

С помощью методов трековой визуализации потока и PIV был исследован процесс формирования вихревого течения в двухкомпонентной жидкости за счёт центробежной циркуляции в зависимости от закрутки потока верхним или нижним вращающимся торцом. Было установлено, что формирование структуры при закрутке снизу происходит аналогично вихрю при закрутке сверху, поскольку гравитационные силы не оказывают существенного влияния на структуру потока (рис. 1 (б,в)). Выявлено, что деформация границы раздела происходит похожим образом, однако имеются различия в её форме и диапазонах чисел Рейнольдса и Фруда.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 19-19-00083.

Список литературы:

1.    Shtern V. Cellular Flows // Cambridge: Cambridge University Press 2018. 573 p.

2.    Naumov I.V., Sharifullin B.R., Tsoy M.A., Shtern V.N. Dual vortex breakdown in a two-fluid confined flow // Phys. Fluids. 2020. V.32. 061706.