22.5. КРИТЕРИЙ УСТОЙЧИВОСТИ ДВУХФАЗНОГО ГРАНИЧНОГО СЛОЯ ПРИ БОЛЬШИХ СКОРОСТЯХ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Мерой относительной скорости течения жидкой компоненты двухфазного потока во многих случаях целесообразно считать модификацию числа Фруда

    (22.5.1)

где — приведенная скорость жидкости, т. е. объемная скорость жидкой компоненты, отнесенная к полному сечению канала. При имеет место первый предельный случай — свободная конвекция, основные законы которой для кипения в большом объеме жидкости рассмотрены выше. При кинетическая энергия жидкой фазы существенно превышает воздействие сил тяжести и поверхностного натяжения (второй, достаточно простой предельный случай).

Рассмотрим обтекание пластины неограниченным потоком жидкости, средняя температура которой меняется так, что становится равной температуре насыщения только вблизи выходной кромки. Тепловой поток, подводимый к пластине, равен критическому значению при заданных параметрах потока . Таким образом, в этой схеме устойчивый паровой слой может возникнуть только около выходной кромки, а основной поток не загроможден паровыми пузырями. На пластине развивается турбулентный пограничный слой жидкости, толщина которого пропорциональна скорости в степени, существенно меньшей единицы. С другой стороны, отрывной диаметр паровых пузырей при больших скоростях течения обратно пропорционален динамическому напору потока. Следовательно, при

    (22.5.2)

т. е. можно теоретически представить такое течение, в котором размеры пузырей существенно меньше толщины пограничного слоя. Кризис теплообмена наступает при вытеснении жидкости, находящейся между возникающими на стенке паровыми пятнами, и появлении вследствие этого сплошного слоя пара.

Последний будет наиболее устойчивым, если в момент выброса пристенного слоя жидкости продольная компонента скорости течения жидкости около стенки будет минимальной. Эти условия аналогичны тем, которые имеют место при оттеснении пограничного слоя от проницаемой поверхности.

Как показано в гл. 21, при критический вдув через проницаемую поверхность определяется формулой

    (22.5.3)

Если паросодержание пристенного двухфазного слоя есть , то действительный поток, выбрасываемый в момент кризиса,

    (22.5.4)

Энергия, необходимая для создания потока , берется за счет кинетической энергии генерируемого пара.

Полагая

    (22.5.5)

получаем формулу С. С. Кутателадзе и А. И. Леонтьева:

    (22.5.6)

Отсюда с точностью до множителя находим критерий устойчивости вида

Физический смысл этого критерия ясен — он представляет собой меру отношения динамического потока газа (пара) к энергии, необходимой для ускорения частиц жидкости, отбрасываемых от стенки, до скорости основного потока. Поэтому этот критерий имеет более общее значение, чем данный выше его вывод в приложении к возникновению кризиса при кипении.