Гидродинамическая структура поверхностного слоя на границе раздела вода-воздух (1102770)
Текст из файла
На правах рукописиПЛАКСИНА Юлия ЮрьевнаГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯНА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА «ВОДА-ВОЗДУХ»Специальности25.00.29 – физика атмосферы и гидросферы,01.04.17 – химическая физика, горение и взрыв,физика экстремальных состояний веществаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2012Работа выполнена на кафедрах физики атмосферы и молекулярной физикифизического факультета Московского государственного университета имениМ.В.
ЛомоносоваНаучные руководители:доктор физико-математических наук,профессор Лапшин Владимир БорисовичМосковский государственный университет имени М. В. Ломоносова,физический факультетдоктор физико-математических наук,профессор Уваров Александр ВикторовичМосковский государственный университет имени М. В. Ломоносова,физический факультетОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Жмур Владимир Владимирович,Московский физико-технический институт (Государственный Университет),заведующий кафедрой термогидромеханики океанакандидат физико-математических наукЧекрыжов Владимир МихайловичГосударственное учреждение Научно-производственное объединение«Тайфун», старший научный сотрудникВедущая организация:Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки Институт физики атмосферы им.
А. М. Обухова Российскойакадемии наук.Защита состоится 20 сентября 2012 года в 1600 на заседании диссертационногосовета Д 501.001.63 при Московском государственном университетеим. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ,физический факультет, аудитория СФАС диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научнойбиблиотеки МГУ им. М. В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д. 27)Автореферат разослан “ 9 ” августа 2012 годаУченый секретарь диссертационного совета,кандидат физико-математических наук2Смирнов В. Б.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыИсследованиеэнергообменанаграницеразделасредявляетсяклассической проблемой геофизики, молекулярной физики и инженерных наук.Тепломассообмен происходит через тонкий приповерхностный слой жидкости,который по своим свойствам отличается от объёмного слоя, поэтому знание егоструктуры важно для постановки правильных граничных условий на границераздела сред при описании каждой из них с помощью гидродинамическихмоделей.
Современный этап развития этой области науки связан с прогрессом,как в экспериментальных методах исследований, так и в теоретическихподходах.Традиционныеэкспериментальныеметоды,связанныесизмерениями температуры, влажности и скорости ветра и последующемрасчете потоков тепла на основе эмпирических формул, в настоящее времяоченьширокоприменяютсянапрактике.Влабораторныхусловияхинтегральные потоки могут быть рассчитаны как на основе эмпирическихформул, так и с помощью прямых теплофизических измерений.
Новыеэкспериментальныеметоды,применяемыевлабораторныхусловиях,позволяют получить гораздо больше информации об изучаемом объекте,однако в некоторых случаях они плохо применимы в натурных условиях.Одним из перспективных направлений в исследованиях межфазных процессовявляются методы визуализации, основанные на новых принципах регистрациии компьютерной обработки.В теоретическом плане происходит переход от простых эмпирическихформулрасчета,коэффициентахоснованныхнакритерияхподобияиэффективныхтеплопередачи, к более точным моделям, в которыхрассчитывается двух- и трехмерные термогидродинамические процессы.
Дляверификации этих моделей требуются экспериментальные методы, которыепозволяют определять мгновенные пространственные характеристики среды. Впоследние годы стал развиваться теневой фоновый метод (ТФМ). В даннойработе он впервые применялся для количественного определения двумерного3интегрального поля температур в слое жидкости вблизи границы раздела сред.В связи с совершенствованием методов и моделей меняется и общий взгляд напроцессыэнергообменавблизиповерхности.Водномерныхмоделяхрассматриваются усредненные параметры для холодной (тёплой) пленки(тонкогослоятемпературныевблизиповерхности,градиенты).Вгдерамкахформируютсяэтихмоделейзначительныерассматриваютсяусредненные характеристики приповерхностного слоя жидкости, в частности,величина усредненного потока и средняя температура поверхности.
Реальнаяструктураповерхностногослоясущественносложнее.Горизонтальнаятемпературная неоднородность поверхности может превышать вертикальныйсредний перепад температур. Горизонтальная неоднородность является важнымфактором формирования приповерхностных вихрей, потому что обеспечиваетусловия для их циркуляции при испарении с поверхности. Изменениегоризонтальной и вертикальной структуры приповерхностного слоя приизменении внешних условий и является основной проблемой данной работы.Цели и задачи диссертационной работыОсновной целью данной работы было экспериментальное исследованиепространственнойструктурытепломассообменавэтомприповерхностногослоедляслояпостроенияжидкостиболееиточныхгидродинамических моделей и последующей их верификации.
Исходя изосновной цели, поставлены следующие задачи:1.Использование теневого фонового метода для качественного иколичественного изучения термической структуры жидкости вблизи границыраздела сред и сопоставление результатов с данными термографии итермозондирования.2.Оценка влияния инерционности термопары в воздухе на искажениеначального участка профиля температуры в воде при термозондировании.Экспериментальная проверка критерия подобия контактного и скрытогопотоков тепла для мгновенных составляющих потоков тепла в воде и воздухе,полученных при термозондировании.43.Исследование возможностей использования получаемых методамитермографии и поверхностного засева частиц полей температур и скоростей наповерхности жидкости для разделения задачи расчёта гидродинамическихпараметров в воде и воздухе.4.Экспериментальноетемпературныхполейвблизиисследованиеповерхностимгновенныхводысзначенийпомощьютрехэкспериментальных методов (термография, теневой фоновый метод итермозондирование) для различных жидкостей.5.Сравнительный анализ термогидродинамики приповерхностногослоя различных жидкостей (вода, этиловый и бутиловый спирты, декан,керосин, глицерин) по результатам экспериментальных исследований.Научная новизна работы1.
Теневой фоновый метод впервые применен для количественногоанализа полей температур для выбранного набора жидкостей вблизи границыраздела сред в лабораторных условиях. Полученные данные свидетельствуют оперспективности применения данного метода, как в лабораторных, так и внатурных условиях.2.
Впервые были проведены совместные измерения полей температур наповерхности слоя жидкости и внутри него с помощью тепловизора и теневогофонового метода. Результаты этих измерений согласуются и дополняют другдруга.3.Впервыетеплофизическимибылпроанализировансвойствамиинаборпроведеножидкостейсравнениесразнымиповерхностныхтермодинамических структур, возникающих на границе раздела сред.4.
Рассмотрены ограничения метода термозондирования в натурных илабораторных условиях, связанные с показателем тепловой инерции термопарыв воздухе. Предложена новая геометрия термопары, позволяющая снизитьвеличину продавливания поверхности воды при непрерывном зондированиисверху.Проведенанализподобиямгновенныхконтактного потоков тепла в лабораторных условиях.5значенийскрытогоиНаучная и практическая ценность работыПрименениеТФМдляисследованиятермогидродинамикиприповерхностного слоя жидкости, а также совместное использование для этихзадач ТФМ и термографии позволяет значительно упростить и дополнитьметоды экспериментальных исследований в рассматриваемой области.
Данныетермографии позволяют получить необходимую информацию для разделениягидродинамической задачи в воде и в воздухе, что может быть использованодля значительного упрощения численного моделирования. Поля температур,получаемые теневым фоновым методом, могут быть использованы дляверификации 2D и 3D гидродинамических моделей. Определение границприменимости метода термозондирования позволяет дать рекомендации по егоиспользованию в практических целях.Разработана новая задача практикума для студентов на кафедремолекулярной физики: «Задача № 17.
Исследование энергообмена на границераздела «вода-воздух» с помощью теневого фонового метода», и одна изсобранных для теневого фонового метода установок используется в ней.Полученные результаты использовались в работе по грантам РФФИ №09-08-00961а и № 12-08-01077Основные положения, выносимые автором на защиту1.ВыявленыусловиявозникновенияконвекцииМарангонидляразличных жидкостей (воды разной степени очистки, бутанола, декана,этанола,глицерина).Исследованагидродинамическаяструктураприповерхностного слоя в жидкости и влияние на эту структурурэлеевского механизма, механизма Марангони и движения эластичнойпленки.2.Показана эффективность применения теневого фонового метода дляколичественного измерения поля температур в слое жидкости вблизиграницы раздела сред при различных режимах испарения и нагрева.3.Предложена методика получения поля температур в воде вблизиграницы раздела сред с помощью совместного использования теневого6фонового метода и термографии поверхности, которая может являтьсяосновойдляновогобесконтактногометодаисследованиятепломассобмена океана с атмосферой.Исследована применимость разных типов граничных условий для4.описанияграницыразделавода-воздухврежиме«эластичнойповерхности».Исследована структура приповерхностного слоя с использованием5.модифицированного датчика, позволившего увеличить пространственноеразрешение температурного профиля вблизи границы раздела сред с 1 ммдо 0,1 мм при термозондировании.Апробация работы и публикацииОсновныерезультатыдиссертационнойработыдокладывалисьиобсуждались на следующих общероссийских и международных конференциях:2nd Practical Conference, Sustainable development: system analysis in ecology,(Ukraine, 1996); Первая Всероссийская конференция «Взаимодействие всистеме литосфера-атмосфера-гидросфера» (Москва, 1996); Ломоносовскиечтения, секция физики (Москва 2009, 2011, 2012); 2nd International Conference onFluid Mechanics and Heat and Mass Transfer (Greece, 2011); 22nd InternationalSymposium on Transport Phenomena (Netherlands, 2011); Proc.
of 15th Int. Symp.Flow Visualization, (Belarus, 2012)По результатам работы опубликовано 16 работ в научных журналах исборников трудов всероссийских и международных конференциях. Из них 5публикаций в реферируемых научных изданиях из списка, рекомендованногоВАК.Личный вклад диссертанта. Автор непосредственно участвовал вэкспериментах,проводимыхвнатурныхусловиях.Лабораторныеэксперименты разрабатывались и проводились автором работы лично и приучастии научных руководителей. Обсуждение и интерпретация результатовпроводились совместно с другими соавторами публикаций.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
