Применение методов физической кинетики для описания вскипания и фрагментации капли перегретой жидкости
Автор: Вячеслав Олегович Майоров
Соавторы: А.К. Ястребов, В.Ю. Левашов
Организация: НИИ механики МГУ
В работе проводится численное исследование вскипания и фрагментации капель перегретой жидкости. В таком состоянии температура жидкости выше температуры насыщения при ее давлении, поэтом в объеме такой капли могут вследствие случайных флуктуаций образовываться микроскопические паровые пузыри. Если размер пузыря больше критического радиуса, то он может расти, в противном случае он мгновенно схлопывается. Рост числа паровых полостей и увеличение их объема может приводить к фрагментации капель жидкости. Изучение этих процессов имеет значение как для фундаментальной науки, так и для ряда технических приложений. Например, такие процессы могут происходить при впрыске криогенного топлива в камеру сгорания силовой установки космического аппарата.
В качестве начального этапа исследования описанных выше процессов в работе рассматривается вскипание и фрагментация одиночной капли перегретой жидкости, находящейся в неограниченной области, заполненной насыщенным паром. В начальный момент времени капля имеет следующие параметры: радиус R0 и степень перегрева S, которая выражается как отношение давления насыщения при температуре капли к давлению окружающей среды. В такой постановке реализуются следующие процессы: испарение жидкости с поверхности капли, образование и последующий рост паровых пузырей в объеме капли.
Математическое описание включает в себя уравнения баланса массы и энергии для капли, а также уравнение идеального газа для паровой фазы. Для описания кинетики объемного вскипания перегретой жидкости используется кинетическое уравнение для функции распределения паровых пузырей по размерам и кинетическое уравнение для нее. Такой подход успешно использовался авторами для моделирования объемной конденсации пересыщенного пара [1]. Скорость образования зародышей паровой фазы описывается согласно классической теории нуклеации [2], а динамика их роста – тепловой энергетической схеме [3]. Массовый и тепловой поток на внешней границе капли вычисляется по соотношениям, полученным методами физической кинетики для свободно молекулярного предела.
В работе предложен критерий разрушения капли перегретой жидкости, основанный на оценке критической объемной доли паровых пузырей и подход, позволяющий определить число и средний размер капель, которые образуются в результате фрагментации.
1. Mayorov V.O., Yastrebov A.K. Numerical study of bulk condensation in laminar flow diffusion chamber // J. Phys. Conf. Ser. 2017. Vol. 891. 012129.
2. Зельдович Я Б К теории образования новой фазы. Кавитация // ЖЭТФ. 1940 Т. 12, №11/12. С.525.
3. Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных систем: Учебное пособие для вузов – М.: Издательство МЭИ, 2000. 374 с.
