Исследование двухфазных потоков в приложении к проблемам обледенения и аэрофизического эксперимента

• Автор: Амелюшкин, Иван Алексеевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Жуковский
• Количество страниц: 144 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГИДРОТЕРМОДИНАМИКА КАПЛИ ВОДЫ АЭРОЗОЛЬНОГО ПОТОКА У ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
1.0. Введение
1.1. Физико-математическое и численное моделирование поведения молекул в аэрозольном потоке
1.2. Зависимость макроскопических характеристик капель воды от их размеров и характеристик окружающей среды
1.3. Физико-математическое моделирование взаимодействия газокапелыюго наноаэрозольного потока с обтекаемым телом
1.4. Влияние броуновского движения и турбулентных пульсаций несущей фазы аэрозольного потока на осаждение частиц на обтекаемом теле
1.5. Заключение по первой главе
ГЛАВА II. ОПТИКА ЗОНДИРОВАНИЯ ОБТЕКАНИЯ ТЕЛ ДИСПЕРСНЫМ ПОТОКОМ
2.0. Введение
2.1. Физико-математическое и численное моделирование процессов, сопровождающих оптическое зондирование обтекание тел дисперсным потоком
2.2. Обратная задача восстановления пространственного распределения концентрации частиц в двухфазном потоке с помощью лазерной плоскости
2.3. Нефелометрия полидисперсного потока
2.4. Способ измерения полей числовой концентрации частиц аэрозольного потока и устройство для его реализации
2.5. Заключение по второй главе

ГЛАВА III. ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТОКОВ С ПОМОЩЬЮ ЧАСТИЦ
3.0. Введение
3.1. Физические аспекты повышения информативности трассерных методов исследования потоков
3.2. Критерий скоростной неравновесности двухфазного потока
3.3. Область скоростной неравновесности фаз двухфазного потока в пространстве его параметров
3.4. Расчет полей скорости и других характеристик несущей фазы потока по анализу полей скорости движения в нем частиц
3.5. Заключение по третьей главе
ГЛАВА IV. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОЙ ЖИДКОСТИ
4.0. Введение
4.1. Исследование распространения фронта кристаллизации в переохлажденной жидкости
4.2. Физико-математическое моделирование кристаллизации переохлажденной жидкости
4.3. Кристаллизация переохлажденных капель при их ударе о поверхность обтекаемого тела
4.4. Заключение по четвертой главе
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
ТАБЛИЦЫ
РИСУНКИ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Вопросы, рассмотренные в диссертации, являются важными как при построении физико-математических моделей поведения многофазных потоков жидкости и газа, так и для адекватной интерпретации экспериментальных данных. Решение обратных задач физики многофазных потоков является актуальным во многих областях науки и техники, в частности, в проблеме обледенения элементов конструкции летательных аппаратов. Многофазные потоки играют весьма значительную роль в природе, технике и жизни человека[1-22]. В последние десятилетия можно наблюдать устойчивый рост интереса многочисленных групп исследователей во всем мире к изучению многофазных (двухфазных, гетерогенных) течений [8]. Физико-математическим моделям поведения многофазных потоков посвящено большое число работ в России за рубежом (см., напр., [1-23]): движение летательных аппаратов в облаках и осадках[20-23], ледяные дожди, брызги, извержения вулканов, попадание твердых частиц пыли в двигатель[1 б], смерчи, песчаные бури, выделение газов в морях и океанах, военные, сельскохозяйственные приложения, а также использование дисперсной фазы при визуализации и бесконтактному определению параметров потока оптическими методами по изображениям частиц (ЛДИС[24-25, РГУ[26-30] и др.), системы пожаротушения [17], устройства распыления химически и биологически-активных веществ [1-4, 10, 17],
двигательные установки, высокоскоростная пескоструйная обработка поверхностей с целью ее очистки или придания определенных свойств, а также движение летательных аппаратов в запыленной атмосфере и при песчаных бурях [9, 13-16]. Известно [9,13-15], что тепловой поток существенно возрастает с увеличением количества дисперсной фазы в среде, в которой движется высокоскоростной летательный аппарат или снаряд. При этом возможно значительное эрозионное воздействие вследствие высокоскоростных ударов частиц о поверхность обтекаемого тела [9, 10, 13, 14]. Примерами технических устройств, в которых используются двухфазные течения, являются устройства термоподготовки угля в схемах энерготехнологического использования топлива,

Несущая газовая смесь (молекулы воздуха и водяного пара) показаны двойными (N2 и 02) и тройными (Н20) кружками. Видно, в частности, что наночастицы мало похожи на привычную шаровую каплю воды, ограниченную сферической поверхностью, которой приписывается коэффициент поверхностного натяжения 07: она находится в состоянии постоянного обмена молекулами с несущим газом, так что число молекул Ы, входящих в состав нанокапли, хаотически изменяется вокруг некоторого среднего значения.
Проведенные исследования позволяют найти область (в многопараметрическом пространстве параметров аэрозольного потока - скорость, температура и др., а также физических свойств материала поверхности обтекаемого тела), в которой частицы воды не будут примерзать к элементам конструкции летательного аппарата. На рис. 1.7 показан пример расчета такой области (сечение многомерной области плоскостью V, Ак), в которой частицы воды радиуса 1.3 нм (ТУ = 350 молекул) не будут примерзать к обтекаемому телу. Температура Т- -10 0 С.
Результаты этой работы могут быть использованы также для оценки коэффициентов восстановления компонент скорости микрочастиц (окислов металлов, кристаллов льда), сталкивающихся с твердым телом [79, 80].
Напомним, что основной целью настоящей работы являлось исследование взаимодействия капли воды с поверхностью твердого тела и в присутствии «чужих» молекул воздуха (в подавляющем количестве), которые могут проникать внутрь капли и вылетать из нее. Преимущественное использование сферически-симметричного потенциала Леннарда-Джонса [63] объясняется ограниченными возможностями располагаемой вычислительной техники для случая больших заданных N (учет угловой зависимости реального потенциала парного взаимодействия молекул был проведен лишь для случая их небольшого количества в «капле», N = 18 и здесь не приводится). Отметим, что несферичность потенциала молекул воды для случая свободных капель и стохастический характер их динамики учтены, например, в работах [81-83].