НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова
Рассматривается сверхзвуковое течение двухкомпонентной смеси «газ-капли» в плоском линейно расширяющемся канале с теплоизолированными стенками. Задача состоит из двух частей: в первой исследуется невязкий двухфазный поток вдали от стенки с целью найти такие соотношения определяющих параметров, которые соответствуют наиболее интенсивному росту капель благодаря процессу конденсации. Вторая часть – исследование движения капель и межфазного теплообмена в пограничном слое на стенке канала. Цель работы – определить, насколько возможно снижение равновесной температуры теплоизолированной стенки из-за наличия в потоке дисперсной фазы.
Для исследования характера газокапельного потока используется двухконтинуальная модель с фазовыми переходами на поверхности капель [1]. Считается, что во всей рассматриваемой области температура жидкости на поверхности и внутри капель не меняется. Для определения параметров потока вдали от пластины решаются квазиодномерные невязкие уравнения двухфазной среды с учетом обратного влияния и процесса конденсации. Установлено, что наиболее интенсивный рост капель происходит при малых значениях относительной массовой концентрации капель, а также при больших значениях параметра расширения канала.
Для исследования течения вблизи стенки используются уравнения теории двухфазного ламинарного пограничного слоя с малой объемной долей жидкой фазы [2]. В межфазном обмене импульсом, помимо силы аэродинамического сопротивления, учитывается боковая сила Сэфмана, под воздействием которой капли могут выпадать на обтекаемую поверхность. Уравнения двухфазного пограничного слоя решаются численно методом прогонки. Для численного интегрирования уравнений используется неявная разностная схема с первым порядком аппроксимации по продольной координате и вторым порядком - по поперечной.
В результате численных расчетов построены поля параметров фаз, такие как температура газа, размер и концентрация капель, а также графики изменения равновесной температуры стенки. На рисунке приведены картины распределения температуры несущей фазы в пограничном слое для чистого газа и газа с примесью капель. Во втором случае наблюдается охлаждение газа вблизи стенки по сравнению со случаем чистого газа.
1. Marble F.E. Dynamics of dusty gases // Annu. Rev. Fluid Mech. 1970. V. 2. P. 397-446.
2. Osiptsov A.N. Mathematical modeling of dusty-gas boundary layers // Appl. Mech. Rev. 1997. V. 50. P. 357-370.
Ирина Валерьевна Голубкина
Институт физики атмосферы им.А.М.Обухова РАН
Эмиссия частиц микронного и субмикронного размера связывается с наличием потока сальтирующих частиц [1], усиливается с увеличением высоты эффективной шероховатости [2] и имеет кубическую зависимость от динамической скорости [3]. Другой механизм выноса связан с возникновением тепловых конвективных потоков над поверхностью [4]. Соотношение доли падающих частиц к частицам, выносимым с поверхности, возрастает при движении вверх по наветренному склону дюны [5, 6]. Этот факт позволяет сделать вывод о преобладании вертикального механизма выноса частиц над сальтационным (ударным). Проведены исследования условий отрыва отдельных частиц и влияния на этот процесс возникновения и роста эоловых микроструктур.
Рассмотрено обтекание микроряби высотой 0,1-1 мм при скоростях воздушного потока до 4 м/с на высоте 1-2 см с использованием открытого пакета LES model in openFOAM. Добавление на шероховатую поверхность обтекаемой эоловой структуры борозд у вершины приводит к смещению точки отрыва восходящих потоков, к изменению протяженности зоны рециркуляции и временных интервалов струйного усиления ветра у вершины, которое наблюдалось в частности в [7]. Эксперимента с добавлением борозды добавлены с учетом численных исследований для обтекания отдельных частиц для области 5х5х2 мм при скорости воздушного потока на верхней границе 2,8 м/с, выбираемой в соответствии с данными экспериментов в ветровом канале [7]. В зависимости от расстояния между частицами меняются выталкивающая сила, действующая со стороны воздушного потока, критическая скорость и начальные скорости вылета частицы. Как следствие, появляются области с различной вероятностью ветрового выноса, за счет чего, в частности, возникает эоловая рябь.
Исследование выполнено при поддержке проекта РНФ 20-17-00214.
- Houser C. A., Nickling W. G. Sedimentology. 2001. 48(2). 255-267.
- Martin R.L., Kok J.F. J. Geophys. Res. 2018. 123(7). 1546-1565.
- Shao Y., Raupach M. R., Findlater P. A. Effect of saltation bombardment on the entrainment of dust by wind //Journal of Geophysical Research: Atmospheres. – 1993. – Т. 98. – №. D7. – С. 12719-12726.
- Chkhetiani O. G. et al. Dust resuspension under weak wind conditions: direct observations and model //Atmospheric Chemistry and Physics. – 2012. – Т. 12. – №. 11. – С. 5147.
- Malinovskaya E.A. Izv. Atmos. Oceanic Phys. 2019. 55(2). 86-92.
- Neuman C.M.K et al. Sediment. 2000. 47(1). 211-226.
- Semenov O.E. Introduction to experimental meteorology and climatology of the sand storms. Almaty. 2011. p 580 (in Russian).
Елена Александровна Малиновская
Пермский государственный национальный исследовательский университет
В работе экспериментально исследуются акустические течения и связанные с ними явления, возникающие при воздействии ультразвука на дистиллированную воду и водные растворы солей NaCl и KCl различной концентрации. Обсуждается зависимость возникающих течений и кавитационных пузырьков от состава жидкости и от мощности ультразвукового воздействия.
Эксперимент проводился в ячейке размером 110×116×160 мм3, имеющей форму параллелепипеда. Центральная часть ячейки пронизывалась сбоку лазерным ножом, создаваемым цилиндрической линзой и зеленым DPSS лазером KLM-532. Для регистрации акустических течений использовалась высокоскоростная камера. В качестве исследуемых жидкостей использовались насыщенные растворы смеси химически чистых солей KCl и NaCl, а также, проводились эксперименты с дистиллированной водой и твердыми пластинами [1, 2]. На рис. 1 А показана характерная для дистиллированной воды иллюстрация возникающего процесса.
Эксперименты с насыщенными растворами солей NaCl и KCl показали, что при любой заданной мощности УЗ, возникают только инерционные кавитационные пузыри. Была проведена серия экспериментов по изучению формирования и динамики кавитационных пузырьков в растворах с различными концентрациями NaCl и KCl. Эти эксперименты показали, что при низких концентрациях солей (ниже 2%), одновременно существуют два вида кавитации, причем порог инерционной кавитации выше, чем в дистиллированной воде. Ниже данного порога, на протяжении всей серии опытов кометообразные стримеры не появляются. При увеличении концентрации с 2% и до 13%, частота возникновения стримеров растет, а средний диаметр левитирующих пузырьков уменьшается. При 13% концентрации диаметр пузырьков уменьшается настолько, что из поля зрения исчезают практически все левитирующие пузырьки рис. 1 Б.
Рис. 1. А) Объединенная из 125 кадров фотография, иллюстрирующая общий вид получаемого в воде течения. Частота съёмки 100 к/с, выдержка 1/100 с. Б) Уменьшение среднего относительного диаметра пузырька D и их относительного количества N, при увеличение содержания солей калия в растворе от 0 до 14%.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-69-46066).
1. Rybkin K. A. et al. Experimental study of formation and dynamics of cavitation bubbles and acoustic flows in NaCl, KCl water solutions //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2017. – Т. 879. – №. 1. – С. 012026.
2. Кугаевская А. А. и др. Экспериментальное исследование динамики кавитационных пузырьков в водных растворах NaCl и KCl вблизи твердых поверхностей //Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии. – 2020. – С. 98-99.
Аня Кугаевская
Пермский государственный национальный исследовательский университет
В настоящей работе экспериментально исследована динамика парогазовых пузырьков, возникающих в воде и водно-солевых растворах в результате коалесценции кавитационных пузырьков, образующихся под действием ультразвука (УЗ), вблизи твердых поверхностей [1] с различными свойствами.
В экспериментах использовалась кювета, имеющая форму параллелепипеда, с размерами 110×116×160 мм3 (Рис. 1. А). Кювета была изготовлена из оргстекла толщиной 3мм. В центральной части кюветы строго вертикально закреплялись пластины, изготовленные из стекла, тефлона и оргстекла. Для визуализации пузырьков использовался лазерный нож, создаваемый цилиндрической линзой и зеленым лазером KLM 532. Для регистрации динамики пузырьков использовалась высокоскоростная камера Basler A504kc и зеркальная камера Nikon D7200, подробно методика описана в статье [2].
Эксперименты показали значительное влияние концентрации соли в воде и свойств твердой поверхности на поведение пузырьков, как при действии УЗ, так и после его отключения. В 20% водном растворе NaCl при действии УЗ на гидрофильную поверхность стекла, пузырьки оставались неподвижными, а в момент отключения УЗ всплывала лишь незначительная их часть. При аналогичных условиях на гидрофобной поверхности фторопласта наблюдаются подвижные пузырьки, всплывающие при отключении УЗ. Эксперименты показали, что в случае гидрофильной поверхности, при концентрации соли в растворах около 3%, суммарная площадь пузырьков, прикрепившихся к твердой поверхности, растет, со временем, нелинейно. В случае гидрофобной поверхности линейный рост наблюдается лишь при 30% концентрации KCl (Рис. 1. Б, В).
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-69-46066).
1. Lyubimova T. P. et al. Dynamics of Vapor-Gas Bubbles in a Liquid Near Solid Surfaces with Different Properties //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – IOP Publishing, 2019. – Т. 581. – №. 1. – С. 012041.
2. Rybkin K. A. et al. Experimental study of formation and dynamics of cavitation bubbles and acoustic flows in NaCl, KCl water solutions //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2017. – Т. 879. – №. 1. – С. 012026.
Константин Анатольевич Рыбкин
Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь
Проблемы тепломассопереноса от компактных источников тепла активно обсуждаются в рамках задач об интенсификации теплообмена [1], которые оказываются тесно связанными с эффективностью охлаждения микроэлектронных устройств [2]. Одним из возможных методов охлаждения электронных устройств может выступать ультразвуковой (УЗ) излучатель.
Настоящее исследование выполнено с целью получения более полного представления о влиянии источника УЗ на конвективное течения образуемое над нагревателем цилиндрической формы. В рамках настоящей работы проведены натурные эксперименты, которые позволили, исследовать и описать влияние ультразвука на характеристики конвективного течения, а также получить поля скорости над поверхностью нагревательного элемента.
«Исследование выполнено при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-31-90138»
Михаил Олегович Кучинский
НИИ механики МГУ
Под термином «энергоразделение» понимается перераспределение полной энтальпии (температуры торможения) в потоке газа без совершения им внешней работы и теплообмена с окружающей средой. Количественной мерой температурного разделения потоков служит разность между полными среднемассовыми температурами газового потока на входе и на «горячем» и «холодном» выходах из устройства.
В НИИ механики МГУ на протяжении нескольких лет проводятся исследования метода энергоразделения, предложенного в работе [1]. Он основан на эффекте энергоразделения в пограничном слое высокоскоростного газового потока, обтекающего адиабатную поверхность. Известно, что чем выше число Маха (M) потока и чем больше число Прандтля (Pr) отличается от единицы, тем больше температура торможения пристенных слоев (температура адиабатной стенки) отличается от начальной температуры торможения потока. Альтернативным способом увеличения данной разности температур является использование эффекта осаждения сконденсировавшейся фазы на обтекаемой поверхности.
Цель работы – исследование влияния конденсации водяных паров из высокоскоростного потока влажного воздуха на температуру обтекаемой адиабатной стенки. Проведено три серии экспериментальных исследований при одинаковом начальном давлении смеси. В каждой серии начальная температура влажного воздуха постоянна. При этом начальная относительная влажность воздуха изменялась от 5% до 90% за счет изменения массовой доли перегретого водяного пара в смеси при постоянной температуре и давлении. Изменение начальной температуры от серии к серии позволяло существенно увеличить начальное влагосодержание при одинаковых значениях относительной влажности. В результате зафиксировано, что с ростом начального влагосодержания область конденсации (скачок конденсации) паров воды смещалась в сторону меньших чисел Маха, при этом температура обтекаемой поверхности росла. При определенном значении влагосодержания область конденсации водяных паров перемещалась в область канала, в которой поток двигался с дозвуковой скоростью. При этом температура обтекаемой поверхности снижалась до значений меньших, чем для случая обтекания «сухим» воздухом.
Андрей Геннадьевич Здитовец
