Размещено на http://www.allbest.ru/

Развитие моделей и способов исследования многофазных потоков

И.А. Амелюшкин, А.Л. Стасенко,

Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского,

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет),

140180, г. Жуковский, (Московская область)

Введение

Многофазные потоки широко распространены в природе (песчаные бури, извержения вулканов, лесные пожары, дожди, выделения газов в водоемах и др.), в технике (обледенение, эрозия и электризация летательных аппаратов в аэрозольном потоке, энергетические установки, военная промышленность, тракты реактивных двигателей, системы пожаротушения, теплообменники и др.) и в медицине (спреи, ингаляторы, сверхзвуковые устройства ввода частиц лекарств через кожу и др.). В последние десятилетия можно наблюдать устойчивый рост интереса многочисленных групп исследователей во всем мире к изучению физики многофазных потоков [1]- наукоемкому разделу механики жидкости, газа и плазмы, который требует понимания моделей и способов исследования процессов в различных областях физики: аэрогидромеханики, термодинамики, физики твердого тела, фазовых переходов, электродинамики, химической кинетики, оптики, квантовой химии и др.

1. Развитие физических моделей и способов бесконтактной диагностики потоков

При исследовании потоков большое предпочтение отдается бесконтактным оптическим методам, поскольку они позволяют получать пространственные картины протекания физических явлений, не вносят в поток возмущения, и позволяют поместить аппаратуру на значительном расстоянии от объекта исследования. Определение концентрации, размеров частиц и скорости дисперсной фазы чрезвычайно важно для исследования поведения многофазной среды.

В настоящей работе развит алгоритм [2] решения обратной задачи восстановления пространственного распределения числовой концентрации частиц и капель в аэрозольном потоке по анализу (регистрируемого цифровым фотоаппаратом) изображения лазерного листа, зондирующего обтекание тел двухфазным потоком.

Разработаны оптическая система построения плоскопараллельного лазерного листа и на ее основе новое устройство для измерения полей концентрации дисперсной фазы в двухфазном потоке. Создано программное обеспечение устройства. Калибровка оптико-измерительной системы реализуется путем сопоставления яркости рассеянного излучения на фотоснимке лазерного листа и концентрации дисперсной фазы, измеренной весовым нефелометром.

В настоящей работе построена физико-математическая модель регистрации зондирующего излучения лазерного листа в аэрозольном потоке, обтекающим шероховатое твердое тело. Учтен ряд физических эффектов: рассеяние (в том числе многократное) и поглощение лучистой энергии дисперсной фазой гетерогенного потока, а также отражение излучения от обтекаемого тела в зависимости от его шероховатости и физических свойств.

В настоящей работе разработан способ повышения точности и расширения диапазона эффективности применения оптических методов измерения параметров потоков, основанных на анализе поведения в нем дисперсных частиц (PIV, PTV, PSV, ЛДИС и др.), рассеивающих зондирующее излучение. На основании известных моделей [3, 4] поведения дисперсной фазы в потоках жидкости и газа получены оценки частот турбулентного потока, которые могут быть отслежены дисперсной фазой и измерены с требуемой точностью.

Показано влияние степени турбулентности воздуха на размер поверхности "смачивания" элемента конструкции летательного аппарата. В процессе движения капель или частиц в аэрозольном потоке их размеры (следовательно, их поведение в несущей среде и оптические свойства) могут меняться за счет коагуляции, дробления и испарения в зависимости от параметров потока [3]. В настоящей работе определены размеры капель жидкости в потоке воздуха в малоскоростной АДТ Т-03 ЦАГИ и определена область (эффективного применения PIV метода) в многопараметрическом пространстве режимов обтекания тел нестационарным турбулентным потоком.

2. Молекулярные и поверхностные эффекты, сопровождающие обтекание тел гетерогенным потоком

С уменьшением характерных размеров объекта все большую роль начинают играть молекулярные и квантовые эффекты, экспериментальное исследование его поведения становится все более трудоемким, в то время как известные законы поведения сплошной среды перестают выполняться. В настоящей работе методом молекулярной динамики рассчитаны макрохарактеристики нанокапель воды во влажном воздухе, приведен их анализ и сравнение с известными теоретическими и экспериментальными данными. В частности, предложенная в настоящей работе зависимость коэффициента поверхностного натяжения нанокапли имеет следующий вид:

(1)

Здесь a_WV - параметр уравнения состояния газа Ван-дер-Ваальса, r_m - характерный радиус действия когезионных сил межмолекулярного взаимодействия, r, W_у, с и T - расстояние до центра капли, потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия, плотность капли и температура соответственно. Индексы sv и ? - означают saturated vapor и бесконечное множество молекул соответственно. На рис. 1 а показано сравнение полученной зависимости (формула 1, кривая 1) коэффициента поверхностного натяжения у капли от ее радиуса R с другими известными физико-математическими моделями (2 - формула Толмена [5], 3 - результаты квантово-химических расчетов [6], 4 - линейная зависимость, предложенная в [7]).

а б

Рис. 1. а - Сравнение полученной нами зависимости коэффициента поверхностного натяжения капли воды от ее размера с другими физико-математическими моделями; б - картина взаимодействия капли аэрозоля с поверхностью ЛА, полученная методом молекулярной динамики

Развита предложенная ранее [8] физико-математическая модель взаимодействия капель воды с телом, обтекаемым влажным аэрозольным потоком. Характеристики теплового поведения атомов твердой поверхности твердого тела заданы в соответствии с его уравнением состояния [9], физико-химическими свойствами материала и законами физики твердого тела. В настоящей работе проведено параметрическое исследование поведения капель воды на поверхности летательного аппарата в процессе его обледенения. На рис. 1 б показаны положения нанокапли (среднее значение числа молекул ? 350) для двух моментов времени: в начальный момент взаимодействия с поверхностью и "установившаяся" форма нанокапли. Двойные кружки - молекулы воздуха, тройные - молекулы воды, находящиеся в термодинамическом равновесии с обтекаемым телом и окружающей средой. Видно, в частности, условность применимости понятия "поверхности" к нанокапле. Предложено два способа определения понятия поверхности - межфазной границы частицы нано-аэрозоля. Приведены численные оценки области параметров аэрозольного потока и свойств материала обтекаемого тела, в которой оно не будет подвержено обледенению. диагностика аэрозольный поток шероховатое

На основании квантово-химических (численного решения стационарного уравнения Шредингера для многоэлектронной системы атомов) расчетов потенциалов парного взаимодействия атомов материала поверхности с молекулами обтекающей среды даны рекомендации по выбору материала и созданию нанорельефа поверхности элементов конструкции обтекаемых тел, обеспечивающего эффекты гидрофобности и антиобледенения. Предложен способ численного моделирование адгезии льда к поверхности летательного аппарата в процессе обледенения. Развит алгоритм решения обратной задачи определения параметров межмолекулярного взаимодействия (наросшего льда с поверхностью обтекаемого тела) на основании измеренных в ЦАГИ [10] значений компонент нормальных и касательных адгезионных напряжений.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 13-01-00766.

Список литературы

1. Вараксин А.Ю. Гидродинамика и теплофизика двухфазных потоков: проблемы и достижения // Теплофизика высоких температур. 2013. Т. 51. № 3. С. 421-455.

2. Амелюшкин И.А. Оптика зондирования осесимметричного обтекания тел монодисперсным аэрозольным потоком // Вестник СПбГУ. - Сер. 1: Математика, механика, астрономия. 2013. Вып. 1. С. 120-129.

3. Стасенко А.Л. Физическая механика многофазных потоков. М.: Издательство МФТИ, 2004. 168 с.

4. Henderson C.B. Drag coefficients of spheres in continuum and rarefied flows // AIAA J. 1976. V. 14, N 6. P. 707-708.

5. Tolman, R.C. Effect of droplet size on surfaces tension // J. Chem. Phys. 1949. Vol. 17. P. 333-337.

6. Артюхин А.С., Егоров Б.В., Забабурин Е.А., Кощеев А.В., Маркачев Ю.Е., Плеханов Е.А., Уфимцев И.С., Хлопков А.Ю., Чугреев А.Л. Кинетика формирования ультралегкой фракции нейтральных и заряженных кластеров в газодинамических потоках летательного аппарата // ХФ. 2004. Т. 24. С. 28-46.

7. Русанов А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления. Л.: Химия, 1967. 388 c.

8. Amelyushkin I.A., Stasenko A.L. Investigation of a water nanodroplet behavior near the aircraft surface in the aerosol flow // Proceedings from the 9^th Pacific Symposium on Flow Visualization and Image Processing (PSFVIP-2013). 25-28 August, 2013. Hanwha Resort, Busan, Korea. P. 154-159.

9. Mie G. Zur kinetishen Theorie der einatomigen Korper // Ann. Phys. 1903. Bd. 11. S. 657-672.

10. Бойнович Л.Б., Домантовский А.Г., Емельяненко А.М., Миллер А.Б., Потапов Ю.Ф., Ходан А.Н. Противообледенительные свойства супергидрофобных покрытий из алюминия и нержавеющей стали // Изв. РАН. Сер. Химическая. 2013. №2. С. 383-390.

Размещено на Allbest.ru