Диссертация (Граничные условия на межфазной поверхности жидкость-пар)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»На правах рукописиЮрин Евгений ИгоревичГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯНА МЕЖФАЗНОЙ ПОВЕРХНОСТИ «ЖИДКОСТЬ – ПАР»Специальность 01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехникаДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительГерасимов Денис Николаевич,кандидат физико-математическихнаук, доцентМосква 2018ОглавлениеВведение...............................................................................................................

31Метод молекулярной динамики ................................................................ 81.1 Уравнения и метод решения ................................................................ 101.2 Условия однозначности ........................................................................ 131.3 Измеряемые и задаваемые величины .................................................. 181.4 Расчетный код........................................................................................ 211.4.1 Верификация и отладка расчетного кода ................................... 222Функции распределения атомов по энергии ..........................................

252.1 Функция распределения по потенциальной энергии ........................ 272.1.1 Сравнение с численными экспериментами ................................ 292.2 Функция распределения испарившихся частиц по скоростям ......... 312.2.1 Сравнение с численными экспериментами ................................ 373Определение потоков испарения ............................................................. 423.1 Коэффициент испарения и конденсации ............................................

463.1.1 Результаты численного моделирования ..................................... 503.2 Контакт жидкости с перегретой поверхностью ................................. 523.2.1 Испарение на перегретой стенке ................................................. 563.2.2 Взрывное вскипание на перегретой стенке ................................ 583.2.3 Налет жидкости на перегретую стенку ....................................... 593.3 Контакт жидкости с горячим паром .................................................... 613.3.1 Результаты численного моделирования ..................................... 634Измеряемый температурный скачок ....................................................... 674.1 Эксперименты по измерению температурного скачка ..................... 684.2 Вывод теоретической зависимости .....................................................

704.3 Сравнение с экспериментами .............................................................. 76Заключение ........................................................................................................ 80Список литературы ........................................................................................... 81Приложение А Данные из работ по молекулярной динамике ..................... 89Приложение Б Материалы к разделу 2.1 ........................................................

97Приложение В Материалы к разделу 3.2 ........................................................ 99Приложение Г Материалы к главе 4 ............................................................. 1022ВведениеВ настоящее время современные технологии так или иначе обращаются кявлениям, происходящим на межфазной поверхности «жидкость – пар»:испарению, кипению и конденсации. Сюда в первую очередь относятсяоборудование энергетики, элементы охлаждения двигателей и микроэлектроники;процесс закалки, применяемый в металлургии, предполагает контакт жидкости сперегретойповерхностьюипаром.Взадачахокавитации,соно-игидролюминесценции рассматривается схлопывание и расширение пузырька вжидкости, сопровождаемое испарением и конденсацией. Они же играют важнуюроль в метеорологии и экологии.Для решения всех перечисленных задач необходимо задавать потокииспарения и конденсации.

Однако данная работа посвящена не столькополучению выражений для таких потоков (то есть граничных условий для задачигидродинамики), сколько изучению процессов, происходящих непосредственнона границе фаз «жидкость – пар» на масштабах длины свободного пробегамолекулы в газе. Результаты такого подхода не всегда можно напрямуюпереносить на гидродинамические масштабы (много большие длины свободногопробега), однако они используются как граничные условия при решениикинетического уравнения, выведенного Людвигом Больцманом в 1872 г. Именнорешение кинетического уравнения позволяет определить потоки, применяемые вгидродинамике. Классические решения этого уравнения были получены вовторой половине XX века и изложены в работах К.

Черчиньяни и Д.А. Лабунцова.Для кинетического уравнения необходимо задавать граничные условия:функцию распределения1 для испаряющихся частиц (плотность вероятностиобнаружения частицы с заданной проекцией скорости), коэффициент испарения иконденсации. Важнейшую роль при определении этих условий играет методмолекулярной динамики, впервые примененный Б. Алдером и Т. Уэйнрайтом в1Следует пояснить, что здесь и далее под термином «функцияраспределение» подразумевается математическая плотность вероятности31957 г.

и получивший в дальнейшем широкое распространение. Тем не менее, досих пор не существует единого мнения насчет искомых граничных условий.Цельюдиссертациинепосредственнонаявляетсямежфазнойизучениеграницепроцессов,«жидкость –происходящихпар», а именноустановление граничных условий для задач физической кинетики, обоснованныхс точки зрения теории и численного эксперимента.Для достижения поставленной цели:1) создан расчетный код, реализующий метод молекулярной динамики;2) проведены серии численных экспериментов процессов испарения иконденсации;3) разработана модель процесса испарения и сопоставлена с результатамичисленного эксперимента;4) полученывыражениядлямакроскопическихпотоковиспаренияодноатомной жидкости в вакуум;5) решена задача о наблюдаемом температурном скачке (существенномотличии показаний термопары в паре вблизи поверхности жидкости оттемпературы жидкости).Научнаяновизнаработызаключаетсятеоретические зависимости, следующие извтом,чторазработанныефундаментальныхфизическихсоображений, проясняют результаты численного эксперимента и способныописыватьтакиеявления,как,например,наблюдаемыйвнекоторыхэкспериментах температурный скачок вблизи поверхности жидкости, а такжепредсказывать значение коэффициента испарения.

Численный эксперимент неограничивается определением макроскопических потоков через поверхностьраздела, а позволяет также определить функции распределения по скоростям иэнергиям как внутри жидкости, так и на границе раздела.Следуетотметить,чточисленныйэкспериментявляетсялишьвспомогательным инструментом для теоретических исследований. Теоретическаячасть работы обосновывает выбор функции распределения для установленияграничных условий, а результаты численных экспериментов охватываютнекоторые явления на межфазной границе и могут использоваться для улучшениятеоретических и расчетных моделей.4Для достижения поставленных целей используется метод молекулярнойдинамики, заключающийся в интегрировании уравнений движения для каждогоатома рассматриваемой системы.

Разработанный для реализации методамолекулярной динамики код верифицируется на задаче по определениюплотности жидкости с помощью данных NIST1. Также полученные результатысопоставляются с результатами других исследователей.В диссертации рассматриваются одноатомные вещества – это существенноупрощает рассматриваемую задачу и в то же время не умаляет общности задачи(так как конденсация и испарение осуществляется за счет поступательногодвижения).Теоретическоеисследованиепроцессовиспаренияиконденсациипроизводится с помощью уравнений классической и статистической физики исопоставляется с результатами численного моделирования.На защиту выносятся следующие положения:1) обоснована функция распределения по скоростям испаряющейся жидкости,получаемая в многочисленных исследованиях методом молекулярнойдинамики;2) полученатеоретическаяоценказначениякоэффициентаиспарения(около 0.8), согласующаяся с результатами численного моделирования;3) показано, что при весьма высокой температуре стенки (выше критической)возможны мгновенные тепловые потоки, большие, чем при стационарномиспарении жидкой пленки, за счет отделения массы жидкости от твердойповерхности;4) выяснены условия, при которых воздействие горячего пара на поверхностьжидкости вызывает поток испарения, превосходящий поток конденсации;5) объяснен температурный скачок на межфазной поверхности, измеряемый вмногочисленных экспериментах и не согласующийся со значениями,предсказываемыми молекулярно-кинетической теорией.1National Institute of Standards and Technology – Национальный институт стандартов итехнологий США5Основные результаты диссертации опубликованы в четырех научныхстатьях, входящих в список Высшей аттестационной комиссии, реферативнуюбазу «Scopus».Также материалы, изложенные в диссертации, были представлены намеждународных конференциях в Москве в 2014 и 2017 гг., на конференциях вОбнинске в 2015 и 2016 гг., в Звенигороде в 2015 г.

и в Санкт-Петербурге в2017 г.Список публикаций:1. Герасимов Д.Н., Юрин Е.И. Функция распределения атомов поскоростям при испарении жидкости // ТВТ. 2014. Том 52. № 3.С. 377—384.2. Герасимов Д.Н., Юрин Е.И. Параметры, определяющие кинетическиепроцессы на поверхности испарения // ТВТ. 2015. Том 53. № 4.С.

530—537.3. Бирюков Д. А., Герасимов Д. Н., Юрин Е. И. Вскипание жидкости при ееконтакте с перегретой поверхностью // Тепловые процессы в технике.2017. Том 9. № 9. С. 397—404.4. Gerasimov D. N., Yurin E. I. Potential energy distribution function and itsapplication to the problem of evaporation // J. Phys.: Conf. Ser.