ЭКСПЕРИМЕНТ
Как показал расчет, коэффициент трения при ламинарном течении жидкости в капиллярах тепловых труб увеличивается вследствие трения пара в 3—4 раза по сравнению со случаем без трения пара в зависимости от геометрии капилляра ф и безразмерного касательного напряжения D [уравнения (23) и (24)1. При решении уравнения Навье — Стокса предполагалось, что на поверхности жидкости напряжение постоянно и поверхностных волн не возникает. Согласно первому допущению, трение пара на поверхности жидкости и на твердой стенке между капиллярами одинаково, и поток пара в тепловой трубе с заполненными жидкостью капиллярами ведет себя так же, как в гладкой трубе. Измерения, проведенные в работе [8], показали, что касательные напряжения при движении воздуха над бесконечной водной поверхностью несколько больше, чем в случае движения у стенок. При скорости воздуха большей 1,6 м/сек (в тепловых трубах скорости пара значительно больше) наблюдалась небольшая рябь. Подобные волновые движения обнаружены для случая текущей пленки воды с движущимся над ней воздухом [9]. Для рассматриваемых здесь небольших канавок (капилляров) поверхностное натяжение препятствует волнообразованию. Указанные особенности процесса делают целесообразным экспериментальное изучение влияния потока пара на движение жидкости в капиллярах.
Экспериментальная установка показана на фиг. 17. У основания канала 3, выполненного из плексигласа, шириной 240 мм и высотой 85 мм установлены латунные пластинки R с продольными капиллярными канавками (длина канавки 300 мм). Латунь выбрана из-за хорошей смачиваемости. Исследовались две геометрии рабочих участков: пластинка шириной 120 мм, имеющая 120 канавок с размерами b = 0,5, а = 1,5, s = 0,5 мм (фиг. 1), и пластинка шириной 120 мм, имеющая 60 канавок с размерами b = 1,0, а = 3,0, s = 1 мм. Подвод и отвод воды, текущей по канавкам, осуществлялся с помощью закрытых поперечных каналов шириной 40 мм и глубиной 6 мм. Расход воды измерялся объемным способом, при этом контролировалось заполнение канавок водой и отсутствие пузырей.
Над пластинкой R навстречу потоку жидкости двигался поток воздуха, подводимый через входное устройство 1 и входной участок 2. Через воздухопроводы 4—9 и диафрагму В для измерения расхода воздух отсасывался компрессором G и выпускался через дроссельную заслонку V. Для устранения вибрации после измерительного канала 3 установлены резиновые муфты М. Канал вместе с участком входа наклоняется с помощью коромысла W, вследствие чего можно получать различные градиенты давления для воды, текущей в продольных канавках. В предварительных опытах с помощью подвижных трубок Пито РТ установлено, что профиль скорости воздуха непосредственно перед входом в участок с капиллярами практически прямоугольный.
Касательные напряжения между воздухом и пластинками и, таким образом, между воздухом и водой измерены с помощью двух трубок Престона PR [10], установленных на пластинках непосредственно у крайних канавок. На основе этих измерений и средней скорости воды в капиллярах находились безразмерные касательные напряжения D по уравнению (13). Средняя скорость воды определялась путем измерения ее общего расхода и площади поперечного сечения всех капилляров.-
По методу расчета, предложенному Римбергом [11], проверено, что потери давления на входе и выходе из капилляров пренебрежимо малы по сравнению с потерями давления на трение воды в капиллярах.
По найденному падению давления -на длине 300 мм, динамическому напору pfi/2 потока воды и гидравлическому диаметру капилляров рассчитывался коэффициент трения fi = A pdh/l (pi/2) if. Согласно закону Гагена — Пуазейля, коэффициент трения /,р = 64/Re,. При увеличении скорости воздуха, т. е. при росте D, в случае
При наблюдении под микроскопом через верхнюю стенку канала на поверхности жидкости в капиллярах в случае больших скоростей воздуха (свьйпе 10 м/сек) замечена небольшая рябь. Однако, как показывает поведение отношения fi/fip, этот эффект не дал заметного отклонения от теории. Капилляры пластинок были закрыты мелкоячеистой сеткой (диаметр проволоки сетки 0,1 мм, размер отверстий 100 меш). Предполагалось, что на поверхности сетки скорость жидкости равна нулю и шероховатость сетки не оказывает влияния на характер течения (допущение, справедливое для ламинарного течения). Коэффициент трения вычисляли на основе полученных соотношений для D = 0 с учетом того, что ф в этом эксперименте вдвое больше по сравнению с открытой канавкой. В случае закрытой канавки в силу симметрии производная dv/dy = 0 на половине глубины канала, в то время как на поверхности жидкости в открытой канавке это условие соответствует случаю D = 0 фАК = 2ф = Ыа. Гидравлический диаметр закрытой канавки равен dh>AR = = 4ba/{2b + 2а), а открытой канавки равен dh = 4ba/(b + 2a). Так как на основе уравнения (24) для D = 0 и зависимости flp = 64/Re коэффициент трения U = Ро(ф) 32/Re (1 +ф)2, можно йайти отношение коэффициентов трения для случаев с закрытой и открытой канавками при одинаковом расходе жидкости
Зависимость этого отношения от 1/ф показана на фиг. 19. Как видно, в случае применения пластинок, имеющих Ф = 1/в или а/b = 3, отношение коэффициентов- трения для закрытых и открытых капилляров примерно равно 1. Таким образом, для капилляров, закрытых мелкоячеистой сеткой, с заданным градиентом давления расход воды, так же как и для открытых капилляров без учета трения пара, не должен изменяться сколь-нибудь существенно, что и подтвердилось в опытах. При заданном наклоне пластин, канавки которых, закрыты слоем мелкоячеистой сетки, увеличение скорости воздуха от нуля до 11,5 м/сек не приводило к изменению расхода воды в капиллярах. Также не было замечено уноса капель воды с поверхности сетки.
