Автомодельные закономерности образования микросателлитов в процессе капиллярного распада вязких струй
Автор: Андрей Александрович Сафронов
Организация: ГНЦ ФГУП Центр Келдыша
Моделирование капиллярного распада струй вязких жидкостей является актуальной задачей для многих технических приложений. Одно из них – отвод низкопотенциального тепла в циклах космических энергетических установок нового поколения в процессе радиационного охлаждения специальным образом сформированного дисперсного потока, свободно распространяющегося в космическом пространстве [1]. Генерация капель осуществляется методом вынужденного капиллярного распада, а сбор остывшего рабочего тела – с помощью уловителя капель. К теплоносителю предъявляется требование низкой испаряемости. Все потенциально пригодные для использования в космосе рабочие тела имеют достаточно большую вязкость. Закономерности распада струй таких жидкостей при числе Онезорге, близком к единице, рассмотрены в работе [2], в которой получены зависимости размеров основных и сателлитных капель от волнового числа возмущения. Однако результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что капиллярный распад сильно вязких струй может сопровождаться образованием не только сателлитных капель, но и микросателлитов (или субсателлитов). При этом на одну основную каплю приходится несколько субсателлитов, масса которых может на несколько порядков отличаться от ее массы.
Ранее проводились исследования образования микросателлитов в процессе капиллярного распада струй маловязких жидкостей (например [3]). Однако из экспериментальных наблюдений известно, что процесс образования субсателлитов сложным образом зависит от числа Онезоге [4]. В представленной работе теоретически и экспериментально исследуется процесс образования микросателлитов при капиллярном распаде струй вязких жидкостей.
Микросателлиты образуются в области тонкого перешейка, соединяющего зародыши основной и сателлитной капель. При числе Онезорге, близком к единице, силы инерции пренебрежимо малы по сравнению с силами вязкости и поверхностного натяжения. Утончение струи происходит по автомодельной закономерности и слабо зависит от начальных условий. Эти закономерности рассмотрены в работе [5]. В представленной работе исследуется устойчивость автомодельных закономерностей вязкого утончения. Предложена теоретическая модель, позволяющая определить момент зарождения структуры зародышей микросателлитов на поверхности струи. Исследованы автомодельные закономерности отрыва зародыша микросателлита от струи. Объяснена фрактальная форма поверхности струи вблизи точки её разрыва. Проведено сравнение теоретически полученных результатов с экспериментом и численным расчётом.
Список использованных источников.
1. А.А. Коротеев, А.А. Сафронов, Н.И. Филатов. Влияние структуры капельной пелены на мощность бескаркасных космических излучателей и эффективность энергетических установок. Теплофизика высоких температур. 2016. Т. 54 № 5. С. 817–820. DOI: 10.1134/S0018151X16050175.
2. А.А. Сафронов. Особенности капиллярного распада струй жидкости при числах Онезорга больше единицы // Инженерно-физический журнал. 2017. Т. 90 №1. С. 176-185. DOI: 10.1007/s10891-017-1552-7.
3. Tjahjadi, M., Ottino, J. M., & Stone, H. A. (1992). Satellite and subsatellite formation in capillary breakup // Journal of Fluid Mechanics, V. 243, P. 297-317. 1992. DOI: 10.1017/S0022112092002738.
4. Campo D.L., Clasen C. The slow retraction method (SRM) for the determination of ultra-short relaxation times in capillary breakup extensional rheometry experiments // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. V. 165, Is. 23–24, December 2010, P. 1688–1699.
5. Jens Eggers. Stability of a viscous pinching thread // Physics of fluids, 24, 072103 (2012). http://dx.doi.org/10.1063/1.4732545.
