Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2023
Ключевые слова: Модели конвекции, точные решения, фазовый переход, испарение, межфазная граница, математическое моделирование, устойчивость, конвективные режимы, двухфазные системы, процессы тепломассообмена, жидкостные микро и минисистемы
Аннотация: Проведены теоретические и экспериментальные исследования, нацеленные на определение условий применимости подхода, связанного с использованием точных решений групповой природы определяющих уравнений, для описания явлений тепломассопереноса в условиях фазовых переходов в рамках моделей механики сплошной среды. Верификация разрабатываПоказать полностьюемых моделей и точных решений осуществляется путём сравнения теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными в ходе выполнения проекта. Математическое моделирование течений испаряющейся жидкости, увлекаемой спутным газовым потоком, проводится на основе двустороннего подхода, учитывающего динамическое и энергетическое взаимодействие объёмных жидкой и газовой фаз на общей границе раздела. В качестве определяющих соотношений используются уравнения Обербека – Буссинеска, дополненные уравнением молекулярного переноса, описывающим диффузию пара в фоновом газе с учётом влияния термодиффузионных эффектов и летучего компонента в жидкости, если она представляет собой бинарную смесь. Эффекты испарения учитываются в условии теплового баланса на межфазной границе, обобщённого на случай диффузионного переноса массы. Двумерные и трёхмерные решения, допускаемые определяющей системой, используются для изучения закономерностей процессов тепломассопереноса в двухфазных системах, заполняющих каналы с твёрдыми стенками. Исследованы постановки задач, предполагающие моделирование двухфазных течений с неоднородным испарением с разными замыкающими соотношениями (в двумерном случае) и типами граничных условий для функций температуры и паросодержания, в том числе с учётом осложняющих факторов, обусловленных наклоном канала или неоднородностью рабочей жидкости. В рамках двумерных постановок построены новые обобщения решения Остроумова – Бириха. На основе точных решений ранга 1 дефекта 3 исследовано влияние скорости газового потока, толщины жидкого слоя, неоднородности бинарной смеси, эффекта Соре в парогазовом слое и граничных тепловых режимов на структуру течений в системах с разными типами рабочей жидкости. Описано поведение основных характеристик в условиях, близких к экспериментальным, проведён анализ отличий в характеристиках течений, связанных с реализацией однородного и неоднородного процессов испарения. На основе сравнительного анализа экспериментальных и теоретических значений массовой скорости испарения и перепадов температуры на границе раздела выделены корректные постановки задач, обеспечивающие наилучшее качественное и приемлемое количественное совпадение. Ввиду двумерности задач решения предсказывают заниженные по сравнению с экспериментальными значения средней скорости испарения. В случае, когда на обеих стенках реализуется условие Дирихле для функции температуры, учёт неоднородного характера испарения на межфазной границе позволяет на качественном уровне воспроизвести поведение экспериментальных кривых. Учёт неоднородного характера испарения на границе раздела не приводит к дополнительному расширению классификации Наполитано режимов течений, описанному ранее участниками проекта в рамках постановок с постоянной скоростью массопереноса. Установлено, что эффект Соре приводит к формированию характерного приповерхностного концентрационного слоя и вызывает снижение скорости испарения, а при изменении интенсивности внешней тепловой нагрузки может приводить к сдвигу точки росы. Для ряда конфигураций исследована устойчивость двумерных течений относительно плоских, пространственных и конечно-амплитудных возмущений. Изучено влияние интенсивности гравитационного поля, поперечного перепада температуры и расхода газа на устойчивость течений в системах с разной толщиной жидкого слоя. Получены критические характеристики устойчивости, проведена селекция мод. Доказан колебательный характер возникающих неустойчивостей, что подтверждается известными экспериментальными данными; рассчитаны фазовые скорости распространения возмущений. Под действием конечно-амплитудных возмущений течение теряет устойчивость пороговым образом. Пространственная неустойчивость проявляется формированием упорядоченных структур различной топологии вдоль которых частицы жидкости перемещаются по винтообразным траекториям со сложной симметрией. Проведено численное моделирование установившихся течений испаряющейся жидкости и газопаровой смеси в трёхмерном канале. Для описания конвективных течений используется точное в групповом смысле решение ранга 2 дефекта 3. Структура решения допускает редукцию исходной трёхмерной задачи к цепочке двумерных задач. Для численного решения полученных двумерных задач использован разработанный ранее авторский код. Исследовано влияние граничных режимов для функций температуры (предполагают теплоизоляцию боковых границ с одновременным линейным нагревом верхней и нижней стенок, либо только нагрев подложки с теплоизоляцией остальных стенок) и паросодержания на количественные и качественные изменения параметров конвективных режимов в системах с разными типами жидкого теплоносителя. Предложен эффективный способ обезразмеривания, позволяющий корректно учесть в рамках трёхмерной постановки влияние скорости прокачки газа, которая является контролируемой в экспериментах величиной. Описаны возникающие различия в характеристиках конвективных режимов, обусловленные изменением геометрии системы, интенсивности внешнего теплового напора и граничного режима для функции концентрации пара. Расчёты течений в канале выполнены для экспериментальных значений скорости потока газа, рабочей температуры, толщин слоёв, экспериментальных и модельных значений продольного температурного градиента, формирующегося за счёт охлаждения межфазной поверхности под действием газового потока. На основе сравнения расчётных значений массовой скорости испарения, термокапиллярных и сдвиговых напряжений на границе раздела с полученными в экспериментах установлено хорошее совпадение результатов на качественном уровне. Решение корректно предсказывает рост скорости испарения с увеличением рабочей температуры и интенсивности приложенной тепловой нагрузки и зависимость поверхностных динамических характеристик (термокапилярных и сдвиговых напряжений) от параметров задачи. Установлено, что при реализации граничного режима первого рода для функции концентрации, максимальная скорость испарения достигается вблизи боковых стенок канала. Данный результат трактуется как способность решения моделировать «краевые эффекты», наблюдаемые в экспериментах и состоящие в том, что вблизи контактной линии (линия контакта жидкость – газ – твёрдая стенка) скорость испарения выше по сравнению со скоростью испарения на границе жидкость – газ. Проведена серия экспериментов по исследованию испарения и конвекции в горизонтальном слое жидкости, обдуваемого потоком газа. Получены новые экспериментальные зависимости массовой скорости испарения с межфазной поверхности от скорости газа (0.0138 – 1.38 м/с) и температуры (20 – 40 ⁰С) в системе этанол – воздух с толщиной слоя жидкости 3 мм. Проведены термографические исследования поверхности слоя жидкости, испаряющегося под действием потока газа, в зависимости от скорости газа и температуры. Обнаружено, что при увеличении скорости потока газа изменяется направление движения жидкости вдоль межфазной поверхности. Определены градиенты температур и касательные напряжения, вызванные термокапиллярными силами и трением со стороны потока газа. Проведён сравнительный анализ характеристик режимов течения в системе HFE-7100 – воздух с толщиной слоя жидкости 3 и 5 мм с использованием безразмерных критериев подобия – чисел Грасгофа и Марангони. Изучено влияние площади межфазной поверхности на интенсивность испарения в системе этанол – воздух с толщиной слоя жидкости 3 мм при высоте газового канала 3 мм. Установлено, что удельная массовая скорость испарения снижается с увеличением площади межфазной поверхности вследствие уменьшения градиента концентрации пара в пограничном слое.