Экспериментальное исследование движения капель при эффекте лейденфроста на сильно перегретых металлических струнах


Авторы

Макаров П. Г.*, Дмитриев А. С., Артамонов А. В., Дроздов А. П.

Московский энергетический институт (национальный исследовательский университет), ул. Красноказарменная,14, Москва, 111250, Россия

*e-mail: MakarovPG@mpei.ru

Аннотация

Статья посвящена изучению поведения капель воды, помещенных между двумя параллельными нагреваемыми металлическими струнами, расстояние между которыми сравнимо с линейным размером капли. Повышение температуры струн осуществляется за счет Джоулева нагрева до значений, превышающих критические температуры пузырькового и пленочного кипения – 100 и 220-250 °С соответственно. Были испытаны различные конфигурации продольной поверхности струны: гладкая и с обмоткой (прерывистая и сплошная). Эксперименты показали, что на таких типах поверхностей не происходит быстрого выкипания или падения жидкости. Вместо этого капли, аналогично эффекту Лейденфроста, проявляющемуся на плоской перегретой поверхности, левитировали в зависимости от структуры поверхности и (или) величины температуры либо стационарно над струнами, либо направленно вдоль них.

Ключевые слова:

эффект Лейденфроста, тонкие струны, морфология поверхности, механизм левиации, паровый слой

Библиографический список

  1. Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Тепломассообмен и волны в газожидкостных системах. Новосибирск: Издательство «Наука», 1984. 303 с.

  2. Liu X., Zou Q., Yang R. Theoretical analysis of bubble nucleation in liquid film boiling // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2022. № 192. 122911. URL: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122911

  3. Дедов А.В., Забиров А.Р., Слива А.П., Федорович С.Д., Ягов В.В. Влияние углеродистого покрытия поверхности на теплообмен при нестационарном пленочном кипении // Теплофизика высоких температур. 2019. Т. 57. № 1. С. 72–82. DOI: 10.1134/S0040364419010046

  4. Кузма-Кичта Ю.А., Лавриков А.В., Шустов М.В., Чурсин П.С., Чистякова А.В., Звонарев Ю.А., Жу ков В.М., Васильева Л.Т. Исследование интенсификации теплообмена при кипении воды на поверхности с микро и нанорельефом // Теплоэнергетика. 2014. № 3. С. 35–38. DOI: 10.1134/S0040363614030060

  5. Song Y., Díaz-Marín C., Zhang L., Cha H., Zhao Y. and Wang E. Three-Tier Hierarchical Structures for Extreme Pool Boiling Heat Transfer Performance // Advanced Materials. 2022. No. 34. Article number 2200899. DOI: 10.1002/adma.202200899

  6. Володин О.А., Печеркин Н.И., Павленко А.Н. Интенсификация теплообмена при кипении и испарении жидкостей на модифицированных поверхностях // Теплофизика высоких температур. 2021. Т. 59. № 2. С. 280–312. DOI: 10.31857/S0040364421020149

  7. Makarov P.G., Artamonov A.V., Dmitriev A.S. Study of the Leidenfrost Effect on Heterogeneous Surfaces of Complex Structure // Journal of Physics: Conference Series. 2021. № 2039. Article number 012017. DOI: 10.1088/1742-6596/ 2039/1/012017

  8. Kim H., Kim D. Effects of surface wettability on pool boiling process: Dynamic and thermal behaviors of dry spots and relevant critical heat flux triggering mechanism // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021. № 180. 121762. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121762

  9. Zhang L., Guo Z., Sarma J., Zhao W. and Da X. Gradient Quasi-Liquid Surface Enabled Self-Propulsion of Highly Wetting Liquids // Advanced Functional Materials. 2021. No. 31. Article number 2008614. DOI: 10.1002/adfm.202008614

  10. Sobac B., Rednikov A., Dorbolo S., Colinet P. Leidenfrost effect: Accurate drop shape modeling and refined scaling laws // Physical Review E. 2014. № 90. 053011. DOI: 10.1103/PhysRevE.90.053011

  11. David Quéré. Leidenfrost dynamics // Annual Review of Fluid Mechanics. 2013. № 45(1). PP. 197-215. DOI: 10.1146/annurev-fluid-011212-140709

  12. Linke H., Alemán B.J., Melling L.D., Taormina M.J., Francis M.J., Dow-Hygelund C., Narayanan V., Taylor R., Stout A. Self-Propelled Leidenfrost Droplets // Physical review letters. 2006. No. 96(15). Article number 154502. DOI: 10.1103/PhysRevLett.96.154502

  13. Pyshar Yi, Thurgood P., Nguyễn N., Abdelwahab H., Petersen P., Gilliam C., Ghorbani K., Pirogova E., Tang S., Khoshmanesh K. Oscillation and self-propulsion of Leidenfrost droplets enclosed in cylindrical cavities // Soft Matter. 2020. № 16(38). PP. 8854-8860. DOI:10.1039.D0SM01153C

  14. Mengyao Wei, Youngsup Song, Yangying Zhu, Daniel J. Preston, Chuan Seng Tan, Evelyn N. Wang. Heat transfer suppression by suspended droplets on microstructured surfaces // Applied Physics Letters. 2020. № 116. 233703. DOI: 10.1063/5.0010510

  15. Chen-li. Sun, Van P. Carey. Marangoni effects on the boiling of 2-propanol/water mixtures in a confined space // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2004. No. 47(25). P. 5417–5426. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.07.014

  16. Lagubeau G., Le Merrer M., Clanet C., Quéré D. Leidenfrost on a ratchet // Nature Physics. 2011. No. 7(5). P. 395–398. DOI: 10.1038/nphys1925

  17. Dodd L., Agrawal, P., Parnell M., Geraldi N.R., Xu B., Wells G., Stuart-Cole S., Newton M.I., McHale G., Wood D. Low-Friction Self-Centering Droplet Propulsion and Trans-port Using a Leidenfrost Herringbone-Ratchet Structure // Physical Review Applied. 2019. No. 11(3). Article number 034063. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.034063

  18. Upot N., Rabbi K., Khodakarami S., Ho J., Mendizabal J., Miljkovic N. Advances in micro and nanoengineered surfaces for enhancing boiling and condensation heat transfer: a review // Nanoscale Advances. 2023. No. 5. Article number 1232. DOI: 10.1039/d2na00669c

  19. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В., Гусаков А.А., Павлов А.В., Бобылев П.Г. Исследование кипения на поверхности шара методом градиентной теплометрии // Тепловые процессы в технике. 2021. Т. 13 № 10. С. 434–441. DOI: 10.34759/tpt-2021-13-10-434-441

  20. Sarma P.K., Subrahmanyam T., Rao V.D., Bergles A.E. Turbulent film boiling on a horizontal cylinder // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2001. No. 44(1). P. 207–214. DOI: 10.1016/S0017-9310(00)00061-2

  21. Thamil Kumaran S.M., Premachandran B. Study of flow and heat transfer characteristics of saturated flow film boiling over two inline cylinders // Physics of Fluids. 2022. No. 34(11). 112123. DOI: 10.1063/5.0125192

  22. Lee S., Cha J., Kim K., Choi W. Dynamics of drop impact on heated metal wires: Thermally induced transition from tail to splash to jumping modes // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. No. 131. P. 226–236. DOI:/10.1016/ j.ijheatmasstransfer.2018.11.063

  23. Qian B., Fan H., Zhang J., Liu G. and Li P. Heat Exchanging Grid Structures Based on Laser-Based Powder Bed Fusion: Formation Process and Boiling Heat Transfer Performance // Energies. 2022. № 15(5). 1779. DOI:10.3390/en15051779

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024