Τρισδιάστατα φαινόμενα στη ροή υγρού υμένα

Abstract

Liquid film flows appear in a variety of physical and biological phenomena and in a large number of industrial applications. Indicative examples are the flow of volcanic lava, the lining of respiratory pathways, the operation of industrial heat exchangers with phase change and the coating processes of the electronic industry. In addition to the practical applications, liquid film flow is the prototype of free surface flows with significant viscous effects and also serves as a case study of nonlinear dynamics and chaos. Object of the current thesis is the experimental investigation of three dimensional characteristics of inclined liquid film flow for low and intermediate inclinations, for different channel widths and for low and intermediate Reynolds numbers. Most of the experiments were carried out in a large scale apparatus, main characteristics of which are the long length (3000 mm) and the variation of the channel width (0-450 mm). The fluorescence imaging technique was used in order to obtain spatiotemporal measurements of the film thickness with estimate accuracy 1%. Some experiments were carried out in a smaller channel (length 80 cm and maximum width 250 mm). In this case, pairs of parallel wire conductance probes were used in order to obtain local measurements of film thickness at two different streamwise locations with estimate accuracy better that 5%. Three different flow regimes were recorded: (a) the stable with undisturbed film, (b) the regime of symmetrical curved solitary waves and (c) viiithe fully three-dimensional regime. The transition from (a) to (b) and (b) to (c) is strongly affected from channel width and inclination angles. The film is strongly stabilized for narrow channels and/or small inclinations. Solitary waves are never truly two-dimensional. More specific, two-dimensional disturbances near the inlet gradually develop curved crestlines and the distribution of the wave height of stationary waves is symmetrical along a maximum value near the channel centerplane. The deviation from the theoretical two-dimensional shape modifies also the qualitative characteristics of the waves. For instance, the phase velocity is smaller from the theoretical value and approaches this value only for large widths and/or inclination angles. The transition to fully three-dimensional waves is being postponed to higher Re numbers for narrow channels and/or small inclinations. For low inclinations solitary waves develop a front-running 3-D structure that consists of a transversely periodic array of depressions. For larger inclinations either the solitary wave crest becomes skewed or 3-D parasitic waves develop behind the major humps. A combination of the above structures has been observed is some experiments.

Η ροή υγρού υμένα εμφανίζεται σε μια ευρεία ποικιλία φυσικών και βιολογικών φαινομένων και σε ένα μεγάλο αριθμό βιομηχανικών διεργασιών. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν η ροή της λάβας των ηφαιστείων, η ροή στο εσωτερικού του αναπνευστικού συστήματος, η λειτουργία βιομηχανικών εναλλακτών θερμότητας με αλλαγή φάσης και οι διεργασίες επικάλυψης στη βιομηχανία ηλεκτρονικών. Επιπλέον από την πρακτική σημασία της, η ροή υγρού υμένα αποτελεί το πρότυπο της ροής με ελεύθερη επιφάνεια στην οποία κυριαρχούν οι ιξώδεις δυνάμεις και επίσης αποτελεί τη βασική ροή μελέτης της μη-γραμμικής δυναμικής και του χάους. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η πειραματική διερεύνηση των τρισδιάστατων χαρακτηριστικών της κεκλιμένης ροής υγρού υμένα σε χαμηλές και ενδιάμεσες γωνίες κλίσης για διαφορετικά πλάτη καναλιού και για χαμηλούς και ενδιάμεσους αριθμούς Re. Ο κύριος όγκος των πειραμάτων εκπονήθηκε σε διάταξη μεγάλης κλίμακας, χαρακτηριστικά της οποίας είναι το ικανοποιητικό διαθέσιμο μήκος για ανάπτυξη της ροής (3000 mm) και η δυνατότητα μεταβολής του πλάτους του καναλιού σε μεγάλο εύρος τιμών (0- 450 mm). Εφαρμόστηκε η πειραματική τεχνική απεικόνισης με φθορισμό για καταγραφή της χωρο-χρονικής εξέλιξης του πάχους του υμένα με ακρίβεια της τάξης του 1%. Ορισμένα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε μικρότερο κανάλι (μήκους 800 mm και μέγιστου πλάτους 250 mm) με μεταβλητό πλάτος. Στην περίπτωση αυτή εφαρμόστηκε η αγωγιμομετρική τεχνική για την τοπική μέτρηση του ύψους του υμένα σε διαφορετικές θέσεις κατάντη της ροής με ακρίβεια λιγότερο από 5%. Καταγράφηκαν τρία διαφορετικά καθεστώτα ροής: (α) το ευσταθές με αδιατάρακτο υμένα, (β) το καθεστώς συμμετρικά καμπυλωμένων μοναχικών κυμάτων, και (γ) το πλήρως τρισδιάστατο καθεστώς. Διαπιστώθηκε ότι η μετάβαση με αύξηση του Re από το (α) στο (β) και από το (β) στο (γ) καθεστώς επηρεάζεται έντονα από το πλάτος του καναλιού, με τη ροή να σταθεροποιείται δραστικά σε στενά κανάλια και μικρές κλίσεις. Παρατηρήθηκε ότι τα μοναχικά κύματα, που αναπτύσσονται μετά την πρωτογενή αστάθεια σε κανάλια πεπερασμένου πλάτους, δεν είναι ποτέ διδιάστατα. Ειδικότερα, διδιάστατες διαταραχές στην είσοδο αναπτύσσουν σταδιακά καμπυλωμένο μέτωπο, και σε μόνιμες συνθήκες εμφανίζουν συμμετρική κατανομή ύψους κύματος γύρω από μία μέγιστη τιμή στο κέντρο του καναλιού. Η απόκλιση από τη θεωρητική διδιάστατη μορφή διαφοροποιεί ποιοτικά τα χαρακτηριστικά των κυμάτων. Για παράδειγμα, η φασική ταχύτητα είναι αισθητά χαμηλότερη της θεωρητικής, και την προσεγγίζει μόνον με αύξηση του πλάτους του καναλιού ή/και της κλίσης της ροής. Τέλος, μελετήθηκε η μετάπτωση σε πλήρως τρισδιάστατες δομές. Διαπιστώθηκε ότι, σε μικρές κλίσεις, η μετάπτωση λαμβάνει χώρα με την ανάπτυξη περιοδικών βαθουλωμάτων μπροστά από το μέτωπο του κύματος. Αντίθετα, σε μεγάλες κλίσεις παρατηρείται απώλεια της συμμετρίας του κύριου μετώπου ή δημιουργία ασύμμετρων παρασιτικών μετώπων πίσω από το κύριο ή συνδυασμός των παραπάνω.