Отзыв оппонента (Граничные условия на межфазной поверхности жидкость-пар)

отзыв Официального оппонента Ю.Б. Зудина на диссертационную работу Юрина Евгения Игоревича иГраничные условия на межфазной поверхности «жидкость — парвз представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника» Неравновесный процесс испарения играет важную роль в ряде фундаментальных и прикладных проблем. Проектирование систем тепловой защиты космических аппаратов включает моделирование разгерметизации защитной оболочки атомной силовой установки.

Для этого необходимо рассчитывать параметры интенсивного испарения теплоносителя при его истечении в вакуум. При использовании лазерных методов обработки материалов важно знать закономерности испарения конденсированной фазы при термической лазерной абляции с поверхности мишени. При воздействии солнечного излучения на поверхность кометы происходит испарение ее ледяного ядра с образованием атмосферы. В зависимости от расстояния до Солнца интенсивность испарения изменяется в широких пределах и может достигать огромных значений, Резко переменный во времени процесс испарения оказывает сильное влияние на плотность атмосферы кометы и характер ее движения. При расчете неравновесного процесса испарения необходимо решать систему уравнений сохранения для газа во внешней ~удаленной от межфазной границы) газоди нам ической области.

В общем случае спектр молекул, эмитируемых поверхностью конденсированной фазы, существенно отличается от спектра молекул, падающих на нее из газовой области. Сложность кинетического анализа состоит в необходимости рассмотрения взаимосвязанных разномасштабных задач: микроскопической задачи для уравнения Больцмана в слое Кнудсена и макроскопической краевой задачи для системы уравнений во внешней области. Здесь необходимо задавать граничные условия — точные для уравнения Больцмана и экстраполированные — для газодинамических уравнений. Для этого надо знать функцию распределения эмитируемых молекул, а также коэффициент испарения-конденсации.

Настоящая диссертационная работа посвящена изучению процессов, происходящих на границе раздела пара с конденсированной фазой на масштабах длины свободного пробега молекулы в газе. В работе получены результаты, которые могут быть непосредственно использованы в постановке указанных выше граничных условий; поэтому работа является безусловно актуальной в фундаментальном и прикладном смыслах. Построение диссертации традиционное. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Общий объем диссертации с приложениями — 104 страницы машинописного текста, включая 53 рисунка, 9 таблиц и 79 формул.

Каждая глава содержит определенный законченный раздел работы. Во введении обосновываются актуальность темы и ее научная новизна, сформулированы цели работы, а также изложена методология проводимого исследования. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Первая глава посвящена общему описанию используемого в работе метода молекулярной динамики. Приводится математическое описание задачи и способа решения входящих в нее уравнений. Описываются краевые и начальные условия задачи, анализируются физические величины, задаваемые в рамках метода молекулярной динамики. Выписываются расчетные соотношения для энергии, плотности теплового потока и температур. Приводится структура используемого расчетного кода. Во второй главе проводится физический анализ процесса испарения молекул на микроскопическом уровне.

Методом молекулярной динамики исследуется распределение молекул по потенциальной энергии. Обосновывается метод определения работы выхода молекул как разности энтальпий между паровой и жидкой фазами в состоянии насыщения. Показано, что при определенных условиях функция распределения эмитируемых молекул отклоняется от равновесного полумаксвеллиана. Найдена ее асимптотика при больших значениях работы выхода молекулы. Проводится сопоставление найденной аналитически функции распределения с результатами моделирования методом молекулярной динамики. Третья глава посвящена определению эмитируемых молекулярных потоков. расчету коэффициентов испарения-конденсации, а также численному исследованию задачи о контакте жидкости с перегретой поверхностью, нагретой выше температуры спинодали.

С помощью найденной выше функции распределения определяются испускаемые поверхностью потоки массы, импульса и энергии. Приводится критический обзор результатов экспериментального определения коэффициентов испарения-конденсации воды, различающихся более чем на три порядка. Рассмотрена методология расчета этих коэффициентов методом молекулярной динамики. Приводятся полученные автором результаты численного моделирования коэффициентов испарения-конденсации. Численно исследуются два возможных сценария контакта жидкости с поверхностью — испарение и взрывное испарение.

Рассматривается вопрос об инициировании испарения за счет конденсации. Приводится описание двух возможных механизмов такого инициирования— равновесное и неравновесное. Излагаются результаты численного моделирования, направленного на выявление неравновесного механизма инициирования испарения. В четвертой главе исследуется экстраполированный скачок температур, возникающий при испарении на поверхности конденсированной фазы.

Проводится сопоставление экспериментальных и расчетных результатов„ обсуждаются возможные физические и методологические причины их несоответствия. Выполнен анализ задачи распределения температур вдоль поверхности королька термопары, расположенного вблизи межфазной границы.

Отметим, что эта классическая задача была поставлена в !970 году Лабунцовым и Муратовой. Показано, что для корректного решения указанной задачи необходимо учитывать реальную функцию распределения молекул газа вблизи спая термопары. В заключении кратко перечислены полученные в диссертационной работе результаты. Научная новизна работы определяется в первую очередь впервые полученным теоретическим выражением для функции распределения молекул, эмитируемых конденсируемой фазой при испарении.

Предложенная в работе изящная физическая модель учета работы выхода молекул при испарении позволяет вывести на принципиально новый уровень моментные методы определения экстраполированных скачков температуры. Следует отметить также полученное автором оригинальное рещение задачи о температуре королька термо пары. Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов диссертационной работы обеспечивается верификацией разработанного для реализации метода молекулярной динамики кода, а также сопоставлением полученных результатов с имеющимися в литературе результатами. Теоретическая и практическая значимость работы определяется в первую очередь разработанными моделями и теоретическими методами анализа.

Полученные результаты могут быть использованы: для расчета выхода изотопов с поверхности жидкометаллического теплоносителя в газовую среду; при решении уравнения Рэлея для динамики пузырька в жидкости; для корреляции экспериментальных данных по экстраполированным скачкам температуры. Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций„ сформулированных в диссертации, обеспечивается верификацией разработанного компьютерного кода на тестовой задаче по определению плотности жидкости„сопоставлением результатов полученного численного решения с результатами, имеющимися в литературе, корректным описанием экспериментального скачка температур вблизи поверхности конденсированной фазы.

Замечания но работе 1. На стр, 31 в разделе 2.2. в обзоре, посвященном методу молекулярной динамики, автор упоминает в числе прочих выполненную в 2011 году работу Ченг, Лехман, Плимптон, Грест [141, где использовались 3 000 000 частиц аргона. В то же время в диссертации используется не более 10 000 частиц. В связи с этим необходимы пояснения о критерии выбора числа моделируемых частиц. 2. На стр. 32 автор пишет: «...Несмотря на то, что существует масса численных исследований, в которых было определено интересующее нас распределение по скоростям„строгого теоретического вывода такой функции до сих пор нет. В этом разделе такая зависимость выводится и сравнивается с результатами численного эксперимента...».