Истечение этанола в среду с варьируемой степенью разрежения

Представлены экспериментальные результаты наблюдения микроструй этанола, истекающих в сильно разреженную среду (вакуум) через сопло. Изучение процесса производилось как при горизонтальном, так и при вертикальном по направлению силы тяжести истечении жидкости из источника. Соблюдалось условие поддержания в вакуумной камере неизменным давления остаточного газового фона на уровне намного ниже давления насыщенных паров рабочей жидкости при заданной температуре истечения. Показана возможность моделирования сложных процессов истечения микроструй жидкостей в пространство с заданной разреженной атмосферой на компактном вакуумном газодинамическом стенде. Установлено, что длительное истечение из тонкого капилляра или отверстия малого диаметра в вакуум или сильно разреженную газовую среду существенно отличается от хорошо изученных режимов истечения в плотную газовую среду, а также от импульсных режимов истечения в вакуум. В работе описаны основные особенности течения и условия возникновения неустойчивости. Показано, что длительное течение микроструи жидкости в вакууме обладает высокой степенью поверхностной неустойчивости с большим количеством внезапных изменений направления, структуры и наблюдаемой плотности. Предложено объяснение причин разрушения микроструи, обусловленных преимущественно совокупностью капиллярной неустойчивости и интенсивного испарения перегретой жидкости с поверхности струи с образованием поверхностных газовых каверн, вызывающих взрывное разрушение микроструи и выброс парожидкостных капель.

1. Nieto-Peroy C., Emami M. R. CubeSat mission: from design to operation. Appl. Sci., 2019, vol. 9, p. 3110. DOI 10.3390/app9153110

2. Heidt H., Puig-Suari J., Moore A., Nakasuka S., Twiggs R. CubeSat: A new generation of picosatellite for education and industry low-cost space experimentation. In: AIAA/USU Conference on Small Satellites, Aug. 21–24, 2000, SSC00-V-5.

3. Fonda-Marsland E., Roberts G., Gibbon D., Ryan C. Development of a low-cost 0.1N high test peroxide thruster using additive manufacturing. In: AIAA 2019-4227, AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum, August 2019. DOI 10.2514/6.2019-4227

4. Ryan C. N., Fonda-Marsland E., Roberts G. T., Lear A., Fletcher E., Giles L., Palmer M. J., Gibbon D. Experimental validation of a 1-Newton Hydrogen Peroxide Thruster. J. Propulsion and Power, 2020, vol. 36, pp. 158–166.

5. Ma W., Zhai S., Zhang P., Xian Y., Zhang L., Shi R., Sheng J., Liu B., Wu Z. Research Progresses of flash evaporation in aerospace applications. Internat. J. Aerospace Eng., 2018, vol. 2018, 3686802, pp. 1–15. DOI 10.1155/2018/3686802

6. Papale W. G., Roy R. J. A water-based propulsion system for advanced spacecraft. In: Collection of Technical Papers – Space 2006 Conference, 2006, vol. 1, pp. 426–438.

7. Joslyn T., Ketsdever A. Constant Momentum Exchange Between Microspacecraft Using Liquid Droplet Thrusters, AIAA 2010-6966. In: 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July 2010 (Nashville, TN), 2012. DOI 10.2514/6.2010-6966

8. Корольков А. В., Сапожников В. Б. Некоторые задачи прикладной промышленной математики в инженерном обеспечении космических полетов // Обозрение прикладной и промышленной математики. 2016. Т. 23. С. 363–366.

9. Раубе С. С., Красночуб Е. К., Бронштейн В. М. Струйная модель теплообмена рабочих тел (теплоносителей) и расчет основных параметров капельных холодильников перспективных космических аппаратов // Вестник Самар. гос. аэрокосмического ун-та. 2010. № 2. C. 50–61.

10. Левич В. Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959. 700 с.

11. Fuchs H., Legge H. Flow of a water jet into vacuum. Acta Astronautica, 1979, vol. 6, pp. 1213–1226. DOI 10.1016/0094-5765(79)90066-3

12. Lienhard J. H., Day J. B. The breakup of superheated liquid jets. ASME. J. Basic Eng., September 1970, vol. 92, pp. 515–521. DOI 10.1115/1.3425051

13. Скрипов В. П. Метастабильная жидкость. М.: Наука, 1972. 312 с.

14. Kurschat T. H., Chaves H., Meier G. E. A. Complete adiabatic evaporation of highly superheated liquid jets, J. Fluid Mech., 1992, vol. 236, p. 43. DOI 10.1017/S0022112092001332

15. Simões-Moreira J. R., Angelo E., Vieira M. M. Highly expanded flashing liquid jets. J. Thermophys. Heat Transfer, 2002, vol. 16, pp. 415–424. DOI 10.2514/2.6695

16. Vieira M. M., Simões-Moreira J. R. Low-pressure flashing mechanisms in iso-octane liquid jets. J. Fluid Mech., 2007, vol. 572, pp. 121–144. DOI 10.1017/S0022112006003430

17. Lu X. X., Li L., Luo K. H., Ren X. B., Liu Y., Yan X. F. Investigation on the dispersal characteristics of liquid breakup in vacuum. J. Thermophys. Heat Transfer, 2015, vol. 30, pp. 1–8. DOI 10.2514/1.T4665

18. Du W.-F., Li K., Wang Sh.-F., Zhao J.-F. Flashing liquid jets in low-pressure environment. Interfacial Phenomena and Heat Transfer, 2013, vol. 1, pp. 173–180. DOI 10.1615/Interfac PhenomHeatTransfer.2013007173

19. Orme M., Muntz E. P., Legge H., Koppenwallner G. Cavitation of liquid streams in a vacuum. Interfacial Phenomena and Heat Transfer, 1988, vol. 2, pp. 274–276. DOI 10.2514/3.97

20. Герасимов Ю. И., Ярыгин В. Н. Истечение струй идеального и реальных газов из осесимметричных сопел. Вопросы подобия 1. Истечение струй в вакуум // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2012. Т. 13, вып. 1. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2012-13-1/articles/295

21. Герасимов Ю. И., Ярыгин В. Н. Истечение струй идеального и реальных газов из осесимметричных сопел. Вопросы подобия 2. Истечение в затопленное пространство // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2012. Т. 13, вып. 2. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2012-13-2/articles/315

22. Приходько В. Г., Чекмарёв С. Ф., Ярыгин В. Н., Ярыгин И. В. Сверхзвуковое истечение газа из сопла в вакуум с пристенной пленкой жидкости: эффект подъема пленки по наружной поверхности сопла против сил тяжести // Доклады РАН. 2004. Т. 39, № 5. С. 618−620.

23. Yarygin V. N., Prikhodko V. G., Yarygin I. V., Vyazov Yu. N. Effect of physical properties of liquid on the outflow of the wall liquid film with the co-current gas flow from the nozzle into vacuum. Thermophysics and Aeromechanics, 2015, vol. 22, no. 5, pp. 651–653. DOI 10.1134/S0869864315050145

24. Yarygin V. N., Prikhodko V. G., Yarygin I. V., Gerasimov Yu. I, Krylov A. N., Skorovarov A. Yu. Near-wall liquid film flows for space applications. J. Phys. Conf. Ser., 2018, vol. 1105, 012079. DOI 10.1088/1742-6596/1105/1/012079

25. Prikhodko V. G., Yarygin V. N., Yarygin I. V. Experimental study of droplet detachment from liquid film surface by a co-current flow inside the nozzle stagnation chamber. J. Phys. Conf. Ser., 2020, vol. 1677, 012148. DOI 10.1088/1742-6596/1677/1/012148

26. Prikhodko V. G., Yarygin V. N., Yarygin I. V. Control of droplet phase angular distribution under near-wall liquid film ejection with co-current gas flow from the supersonic nozzle into a vacuum. J. Phys. Conf. Ser., 2020, vol. 1677, 012149. DOI 10.1088/1742-6596/1677/1/012149

27. Zarvin A. E., Kalyada V. V., Madirbaev V. Zh., Korobeishchikov N. G., Khodakov M. D., Yaskin A. S., Khudozhitkov V. E., Gimelshein S. F. Condensable supersonic jet facility for analyses of transient low-Temperature gas kinetics and plasma chemistry of hydrocarbons. IEEE Trans. Plasma Sci., 2017, vol. 45, no. 5, pp. 819–827. DOI 10.1109/TPS.2017.2682901

28. Yaskin A. S., Zarvin A. E., Kalyada V. V., Dubrovin K. A., Khudozhitkov V. E. Features of formation of a fluid flow flowing into a highly rarefied medium through a capillary. J. Phys. Conf. Ser., 2020, vol. 1677, 012158. DOI 10.1088/1742-6596/1677/1/012158

29. Стабников В. Н., Ройтер И. М., Процюк Т. Б. Этанол. М., 1976. 272 с.

30. Дымент О. Н., Казанский К. С., Мирошников А. М. Гликоли и другие производные окиси этилена и пропилена / Общ. ред. О. Н. Дымент. М.: Химия, 1976. 373 с.

31. Альтшуль А. Д. Гидравлическое сопротивление. 2-е изд. М., 1982. 224 с.

32. Павлов П. А., Исаев О. А. Барокапиллярная неустойчивость поверхности свободной струи перегретой жидкости // ТВТ. 1984. Т. 22, вып. 4. C. 745–752.