Исследование влияния неоднородностей полевых переменных при фазовых превращениях на свойства межфазной границы раздела жидкость-газ

• Автор: Дуников, Дмитрий Олегович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 103 с. : ил.

1 Межфазная поверхность жидкость-газ в условиях внешних воздействий

1.1 Поправка первого порядка к поверхностному натяжению

1.2 Размерный эффект

1.3 Поверхностное натяжение при испарении

* 1.4 Пузырек на тепловой стадии роста

2 Метод молекулярной динамики для двухфазных систем

2.1 Интегрирование уравнений движения

2.2 Математическая модель двухфазной системы

2.3 Вычислительный алгоритм

2.4 Вычисление свойств

3 Моделирование равновесных систем

3.1 Результаты расчетов
3.2 Закон соответственных состояний в молекулярно-динамическом моделировании
* 3.3 Определение критических параметров для полного потенциала
3.4 Структура межфазного слоя
4 Моделирование влияния неоднородностей полевых переменных на границу раздела жидкость-газ
4.1 Молекулярно-динамическое моделирование испарения в вакуум
4.1.1 Результаты расчетов
4.1.2 Коэффициент испарения
4.1.3 Поверхностное натяжение
4.2 Моделирование процесса переконденсации
* 4.3 Эффекты исчезновения и возникновения границы раздела фаз при температурах отличных от критической

5 Заключение
Выводы
Литература
Список иллюстраций
Список таблиц

Объект исследования и актуальность темы.
Важным направлением в создании и развитии новых технологий является повышение эффективности работы энергетического оборудования одновременно с его миниатюризацией и снижением материалоемкости. Достижение этой цели ведет к существенным экономическому и экологическому эффектам, связанным с более рациональным использованием топливных ресурсов, уменьшением габаритов и улучшением пользовательских характеристик устройств. Фазовые превращения в жидкостях принадлежат к самым распространенным процессам, используемым в современной технике, и их интенсификация является одним из основных путей достижения задач, стоящих сегодня перед теплофизикой.
Добиться интенсификации тепловых процессов можно путем концентрации энергетических потоков на малых временных и пространственных масштабах и созданием внешних воздействий на систему жидкость-газ: "геометрической"активацией теплообменных поверхностей путем нанесения на них пористых покрытий, меняющих геометрию распределения фаз при кипении, воздействием внешних силовых полей, быстрым переводом системы в область фазовой метастабильности и т.д. Внешние воздействия, возрастание межфазного переноса энергии и массы при интенсивных фазовых превращениях приводят к тому, что фазовые равновесия и превращения реализуются в условиях существенной неоднородности полей физических величин. Эти неоднородности полевых переменных (например, температуры и давления) могут приводить к изменению свойств межфазных границ раздела,
В классическом подходе к описанию процессов тепломассообмена используется метод разделяющих поверхностей Гиббса, который рассматривает межфазный слой как поверхность нулевой толщины, выбранную согласно некоторому правилу, и которой приписаны поверхностные свойства. Несмотря на то, что в действительности граница раздела между жидкостью и газом обладает ненулевой толщиной и внутренней структурой, для многих практических задач подход Гиббса позволяет адекватно описывать процессы на межфазной поверхности. Однако при повышении интенсивности процессов тепло и массопереноса характерные масштабы неоднородностей полевых переменных становятся сопоставимыми с толщиной межфазного слоя. В результате действия подобных неоднородностей возможно проявление таких эффектов, как изменение границ термодинамической устойчивости си-

Рис. 3.8. Различие в парных функциях распределения п2 для двух систем с tT и различных радиусов обрезания: ромбики - г см = 2.5 при Т = 0.801 и кружки - = 5.5 при Т = 0.904.
В безразмерных координатах эти две системы очень близки, однако, различие для малых радиусов заметно. В то же время для r^t = 3.5 функции распределения практически не отличаются от таковых для 5.5.
хорошо совпадают как друг с другом, так и с аргоном, то для более низких значений радиуса обрезания rmt = 2.5, вне зависимости от модификации, появляется некоторое отклонение -значения ниже на 10 -г- 15 %. Тем не менее, для г,м = 2.5 значения у для обрезанного и сдвинутого потенциала фіт совпадают со значениями, полученными для сплайн-модификации На первый взгляд такое отличие можно было бы объяснить появлением зависимости свойств поверхности от ее размера, вернее, от отношения радиуса обрезания и размера ячейки. Однако нами были проведены расчеты системы с ф= 2.5 и 108 000 частиц при температуре Т = 0.80 с размером стороны вычислительной ячейки в три раза больше, чем обычно (и соответственно вдевятеро большей площадью поверхности), в то время как остальные параметры вычислений были теми же, и результаты показали, что поверхностное натяжение для данных размеров системы не зависит от площади поверхности (для совсем малых размеров наблюдается квадратичная зависимость [44]).
Обрезание потенциала сказывается и на парной функции распределения. Пример этого представлен на Рис. 3.8. Несмотря на то, что представленные на рисунке системы достаточно близки в безразмерных переменных, наблюдается различие в двухчастичных функциях распределения на малых дистанциях между частицами.
Таким образом, следует заключить, что радиус гм( = 2.5 является уже достаточно малым, чтобы начало проявляться отклонение от закона соответственных состояний. В то же