Исследовано влияние гравитации и геометрии на испарение жидкости

Сотрудники Сибирского федерального университета (СФУ) совместно с коллегами из Института вычислительного моделирования СО РАН представили расчеты, описывающие структуру течений и процессы испарения в двухслойной системе жидкость – пар. Основное внимание они уделили влиянию двух факторов: гравитации и толщины жидкого слоя. Понимание механизмов, определяющих характер течений и явлений испарения (или конденсации), важно при разработке микроразмерных охлаждающих устройств космических спутников и систем жизнеобеспечения орбитальной космической станции, а также в материаловедении и химической индустрии. Результаты исследования опубликованы в журнале Microgravity Science and Technology.

Процессы переноса тепла и массы наблюдаются повсеместно. Один из них – конвекция, при которой потоки вещества и энергии передаются струями. Если рассматривать жидкость, то в ее толще происходит постоянное движение: верхние слои остывают, тяжелеют и опускаются, а нижние вытесняются наверх. Одна из причин потери тепла на границе между жидкостью и газом связана с испарением: часть молекул имеет бóльшую энергию, чем остальные. Ее достаточно для разрыва межмолекулярных связей и отрыва молекул от поверхности. Так жидкие частицы переходят в газообразное состояние – становятся паром. Обратное явление – конденсация – имеет место при соприкосновении молекул пара с охлажденной поверхностью жидкости.

«Описанные процессы зависят от внешних и внутренних условий: свойств сред (жидкости и окружающего газа или парогазовой смеси), температурного режима системы, ее геометрии (например, толщины канала, в котором находятся жидкость и пар) и воздействия гравитации. В своей работе мы сосредоточились на описании влияния последних двух факторов», – рассказывает Виктория Бекежанова, доктор физико-математических наук, профессор СФУ, ведущий научный сотрудник отдела дифференциальных уравнений механики Института вычислительного моделирования Сибирского отделения РАН.

Представленная математическая модель описывает конвективные процессы в двухслойной системе жидкость–пар. Она основана на важнейших уравнениях гидродинамики, Навье–Стокса, с учетом некоторых дополнительных факторов. Сильное влияние на систему оказывает термодиффузионный эффект, в результате которого образуются области с разной концентрацией молекул, зависящей от температуры. Под действием разных факторов жидкость может расслаиваться на теплую и холодную, в результате чего могут меняться различные физические свойства: плотность, поверхностное натяжение и др. Система, где верхние слои холоднее нижних, оказывается неустойчивой, поскольку в гравитационном поле в текучей среде возникает конвективное движение (холодная жидкость опускается, горячая – поднимается), которым можно «управлять», например, изменением толщины слоя жидкости. Так, уменьшив высоту жидкого слоя, можно подавить конвекцию за счет возрастающего влияния термокапиллярного эффекта, который вызывает движение «горячей» жидкости вдоль границы жидкость–газ.

«Традиционно потребность в изучении конвективных процессов вызвана разработками в области теплофизики, химической индустрии, материаловедения и биомедицины. Наши последние результаты будут полезны при модификации систем жидкостного охлаждения разнообразных электронных микро- и мини-устройств, используемых в том числе на борту космической станции и в спутниках нового поколения, а также при совершенствовании систем термического контроля, технологий термического осушения или нанесения покрытия с заданными характеристиками: толщиной, формой, механическими или химическими свойствами и так далее», – заключает Виктория Бекежанова.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.