Динамика многофазных гидродинамических систем в неравномерно вращающихся полостях

Автор: Виктория Сергеевна Кобелева

Соавторы: Ю. С. Дементьева, В. Г. Козлов

Организация: Пермский государственный гуманитарно педагогический университет, Лаборатория вибрационной гидромеханики

Динамика многофазных гидродинамических систем в неравномерно вращающихся полостях

 

Экспериментально исследуется динамика трехжидкостной системы в неравномерно вращающемся щелевом зазоре с круговой боковой границей. Одна из жидкостей имеет высокую вязкость, ее плотность имеет среднее значение по сравнению с двумя маловязкими жидкостями. При быстром вращении под действием центробежной силы в зазоре устанавливается осесимметричное распределение жидкостей с двумя концентрическими границами раздела. Целью является изучение динамики такой системы при модуляции скорости вращения. Варьируются скорость вращения, амплитуда и частота модуляции скорости вращения, физические параметры и объемы фаз.

 

Мотивация исследований определяется обнаруженным в [1] явлением образования квазистационарного периодического пространственного рельефа на осесимметричной границе раздела двух жидкостей с высоким контрастом вязкостей. Граница теряет устойчивость пороговым образом при повышении амплитуды модуляции скорости вращения. Показано, что обнаруженная неустойчивость связана с неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца и возбуждается в результате осциллирующего движения маловязкой жидкости вблизи межфазной границы. Настоящие исследования являются продолжением вышеупомянутой работы. Скорость вращения изменяется со

 

временем по закону Ω = Ω rot (1 + ε cosΩ L t). Здесь Ω rot – скорость вращения полости, а Ω L и ε– круговая частота и безразмерная амплитуда либраций. Рабочей полостью является щелевой зазор толщиной d = 5.0 мм с круговой боковой границей радиусом Rc = 7 см. Вращение задается вокруг оси симметрии полости.

Обнаружено, что в зависимости от относительного объема и свойств жидкостей на границах раздела (на одной из них, или на обеих сразу) пороговым образом возникает сравнительно коротковолновый рельеф, природа которого согласуется с обнаруженным в [1]. В случае малого объема вязкой фазы возможно ее эмульгирование, что качественно меняет свойства системы. На Рис. 1 (фрагмент а) показано распределение фаз в поле центробежной силы до порога потери устойчивости осесимметричного распределения. В экспериментах использовались флуоринерт FC-40, касторовое масло (подкрашенное зеленым красителем) и силиконовое масло ПМС-5. Маловязкое масло, имеющее наименьшую плотность, располагается вблизи оси вращения. На фрагменте б представлена фотография системы трех жидкостей в надкритической области. Изменение свойств системы приводит к резкому возрастанию длины волны квазистационарного рельефа на границе.