Диссертация (Граничные условия на межфазной поверхности жидкость-пар), страница 6

В таблицепредставленынекоторыерезультатыпоиспарения/конденсации воды.47определениюкоэффициентаТаблица 3.1 – Коэффициенты испарения/конденсации водыРаботаКоэффициент1931 Alty,Nicoll [81, 82]1933 Alty [83]1935 Alty, Mackay [84]0.0156,0.0083–0.01550.0268–0.05840.0361954 Hickman [85]1963 Navabian,Bromley [86]1963 Wakeshima,Takata [87]1964 Delaney et al.[88]1964 Jamieson[89]1967 Maa[90]1967 Mills,Seban [91]1971 Tamir,Hasson [92]1973 Levine [93]1974 Chodes et al. [94]0.161–0.5320.35–1РаботаКоэффициент1975 Narusawa,Springer [95]1975 Sinnarwalla et al.[96]1976 Bonacci et al.[97]1976 Finkelstein,Tamir [98]0.038,0.17–0.190.022–0.0320.7–10.006–0.061976 Vietti, Fastook [99]0.1—10.0360.0415–0.003600265–0.00311978 Barnes [100]0.0002>0.3051989 Hagen et al.11999 Shaw,Lamb [102]0.04–0.10.45–12001 Li et al. [103]0.17, 0.320.18, 0.23, 0.112006 Winkler et al.[104]0.8–1, 0.4–10.0210.033[101]2006 Smith et al.

[105]2008 Zientara et al. [106]1.00.620.13–0.18Такое различие результатов экспериментальных данных объясняется восновном трудностями проведения эксперимента, однако значительную рольиграет и методологическая составляющая (выбор определения для коэффициентаконденсации и итогового выражения для потоков).Численный эксперимент (методом молекулярной динамики) позволяет безтруда определить потоки конденсации и испарения и лишен недостатков итрудностей реальных экспериментов. Например, в работе по молекулярнойдинамике [31] авторы исследуют процесс испарения/конденсации в состояниинасыщения бутана, октана и додекана в широком диапазоне температур и врезультате получают значения коэффициента конденсации от 0.742 до 1.0 изначения коэффициента испарения от 0.017 до 0.612.

При малых значенияхкоэффициента испарения они получают коэффициент конденсации, близкий к 1,48то есть поток конденсации максвелловский и не подвержен значительномувлиянию потока испарения. И наоборот, при высоких потоках испаренияполучается более низкое значение коэффициента конденсации.Ввидуэтогонеобходимоисследоватькоэффициентиспаренияиконденсации вне влияния встречных потоков (а результирующие потоки,например, искать из решения уравнения Больцмана).Определению коэффициента испарения/конденсации посвящено множестворабот по молекулярной динамике: 1994 [23] Ясуока, Матсумото, Катаока (Ar); 1995 [24] Ясуока, Матсумото, Катаока (H2O); 1997 [9] Жаховский, Анисимов (Ar); 1998 [28] Матсумото (Ar, H2O, CH3OH, CH3COOH); 1999 [10] Тсурута, Танака, Масуока (Ar); 1999 [27] Анисимов, Дуников, Жаховский, Маличенко (Ar); 2004 [11] Тсурута, Нагаяма (H2O); 2010 [32] Гу, Вэткинс, Коплик (Ar); 2011 [30] Као, Ксе, Сажин(C12H26); 2012 [16] Ксе, Сажин и Као (C12H26); 2013 [29] Лауден, Шонборн, Лоуренс (H20); 2014 [25] Крюков, Левашов, Павлюкевич (Ar); 2015 [31] Нагаяма, Такематсу, Мизугучи, Тсурута (C4H9, C8H18, C12H26). 2017 [26] Искренова, Патнаик (C8H18)Из перечисленных работ следует отметить работы [25] и [26], в которыхнапрямую исследуется коэффициент конденсации.

Из результата работы [25]следует, что коэффициент конденсации лежит в диапазоне 0.9 – 1.0. То есть почтивсе частицы, летящие в сторону жидкости внутри кнудсеновского слоя,конденсируются. Аналогичный результат получен в работе [26].493.1.1 Результаты численного моделированияМетодом молекулярной динамики были проведены серии численныхэкспериментов, в которых с расстояния 3 нм от поверхности жидкостизапускались атомы аргона с заданной скоростью (22 реализации, со скоростями вдиапазоне 100 – 500 м/с).1 – 100 м/с;2 – 150 м/с;3 – 200 м/с;4 – 250 м/с;5 – 300 м/с;6 – 400 м/с;7 – 500 м/сРисунок 3.2 – Траектории частиц пара, налетающихна поверхность жидкости со скоростямиВ результате серии численных экспериментов доля адсорбирующихсячастиц составила 100%.

Данное значение согласуется с результатами численногомоделирования по определению коэффициента конденсации А. П. Крюкова,В. Ю. Левашова и Н. В. Павлюкевича 2014 г. (0.912 – 0.999) [25], а такжеЕ. К. Искреновой и С. Патнаика (0.921 – 0.970) [26].50Так как в результате численного моделирования есть возможностьопределения фактической плотности потока массы испарения по формуле (1.10)при температуре, определяемой по формуле (1.8), то отношение вычисленнойплотности потока массы к потоку (3.8) дает значение коэффициента испарения.

Втаблице 3.1 представлены результаты сравнения расчетного коэффициентаиспарения и полученного с помощью моделирования методом молекулярнойдинамики.Таблица 3.2 – Сопоставление смоделированного значения коэффициентаиспарения и расчетногоДля нерегулярнойДля гладкойТемператураРезультатыповерхности (3.13)поверхности (3.12)жидкогочисленногоаргона, КмоделированияЗначениеНевязка1150.830.832- 0.24%1200.860.84+ 2.4%ЗначениеНевязка+ 4%0.8+ 8%Результаты исследования, изложенные в настоящем разделе1, показывают,что из найденной функции распределения можно получить оценку коэффициентаиспарения 0.8.

Эта оценка согласуется с результатами проведенного численногомоделирования и результатами других работ по молекулярной динамике(например, [9]). Два варианта определения коэффициента конденсации (как долиадсорбированныхчастицикаккоэффициентапропорциональностимаксвелловского потока) не равнозначны. Доля адсорбированных частиц равнапримерно1,чтопоказываютрезультатыпроведенногомоделирования, согласующегося с результатами [25, 26].1Опубликованы в [107, 108]51численного3.2Контакт жидкости с перегретой поверхностьюКонтакт жидкости с перегретой поверхностью характерен для процессазакалки и, например, аварийных режимов работы энерготехники.

Исследованиютеплообменанедогретойжидкостииперегретойстенкипосвященыэкспериментальные работы [109 – 111], из которых следует, что в течениекороткого времени при охлаждении перегретого тела в недогретой жидкостинаблюдаются высокие значения коэффициента теплоотдачи.В настоящем разделе будут рассматриваться численные экспериментыпроцессаконтактажидкостисостенкой,нагретойвышекритическойтемпературы (для аргона – выше 151 К). Разумеется, речь идет о нестационарноми неравновесном процессе – в противном случае существование жидкости(которая,вдействительности,сверхкритическимфлюидом)притемпературеневозможно.Навыше151 Кисследуемыхявляетсямасштабах(пространственных и временных) температура стенки не равна температурежидкости и является лишь мерой кинетической энергии частиц флюида, а нехарактеристикой равновесной системы.Приконтакте холоднойконтактирующих слоевжидкостифлюидаигорячейстенкиповышается быстрее, чемтемператураонуспеваетрасширяться, что вызывает рост давления.

Это может привести к тому, чтоосновная масса жидкости либо отлетит от стенки, либо удержится вблизи стенкиза счет сил притяжения со стенкой. Таким образом, существует два возможныхварианта протекания процесса – испарение и взрывное вскипание (отлет слояжидкости от стенки).Данные процессы моделировались методом молекулярной динамики вработах:52 2001 [36] Доу, Жигилеи, Виноград, Гаррисон (Au-H2O, исследоваливзрывное вскипание воды на перегретой поверхности золота (1000-273 К)); 2013 [37] Сейф, Жанг (Cu-Ar, исследовали обычное кипение аргона(170-90 К) и взрывное на поверхности меди (290-90 К)); 2015 [38] Ванг, Жанг, Тиан, Менг (Al-Ar, исследовали испарение аргона(150-90 К) и взрывное вскипание (310-90 К) на поверхности алюминия); 2015 [39] Диаз, Гуо (Cu-Ar, исследовали обычное кипение аргона(105-100 К) и взрывное (300-100 К) на медной поверхности); 2015 [40] Фу, Мао, Танг, Жанг, Юан (Cu-H20, исследовали взрывноевскипание воды с перегретой поверхности меди (1000-298 К)); 2016 [41] Ли, Джи, Жанг (Cu-Ar, исследовали нормальное (130-85 К) ивзрывное (300-85 К) испарение и конденсацию (85 К) аргона на медныхповерхностях); 2016 [42] Шавик, Хасон, Моршед (Pt-Ar, исследовали взрывное кипениеаргона на перегретой платине (250-90 К)); 2016 [43] Фу, Мао, Танг, Жанг, Юан (Cu-H20, исследовали взрывноевскипание воды (1000-298 К)); 2017 [44] Жанг, Хао, Чен, Юан, Танг, Чен (Cu-Ar, исследовали взрывноевскипание аргона на поверхности меди (350-90 К)).Перечисленные работы, в основном, посвящены интенсификации процессавзрывного вскипания за счет структурирования поверхности.

Нас же интересуетпричинавозникновенияэффектавзрывноговскипания(критерийегонаступления).Несмотря на то, что рассматриваемая система является существеннонеравновесной, оценим процессы, происходящие в ней, с точки зрения локальноравновесной системы.Плотность теплового потока в таком случае(3.17)53где– толщина слоя жидкости вблизи поверхности, в которой имеет местоперепад температур;– коэффициент теплопроводности жидкости (в нашем случае дляаргона[113]).Нас интересует связь плотности потока с силой, отталкивающей флюид отповерхности и возникающей из-за изменения его температуры.