Гидродинамическая структура поверхностного слоя на границе раздела вода-воздух (1102770), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Таким образом, все7основные результаты диссертации были получены соискателем лично или приего непосредственном участии.Достоверность. Достоверность полученных результатов и сделанныхвыводовобусловленаиспользованиемтехники,независимымсравнениемсовременнойрезультатовэкспериментальнойразличныхметодов,соответствием экспериментальных результатов теоретическим расчетам.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и спискалитературы. Общий объем 161 страница, в том числе 62 рисунка и 3 таблицы.Список литературы содержит 110 наименований.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обосновывается актуальность диссертационной работы, еёнаучная новизна и практическая ценность.
Формулируются цели работы ипостановка научной задачи. Излагаются основные положения, выносимыеавтором на защиту.В первой главе дается обзор имеющихся результатов, как поэкспериментальным методам, так и по теоретическим моделям, используемымпри анализе энергообмена на границе раздела сред.
В обзоре основноевнимание уделяется двум вопросам – классической одномерной теориихолодной (теплой) плёнки и современным экспериментальным методам,позволяющим получить данные о структуре приповерхностного слоя. Крометого,рассматриваетсяэкспериментальныхвопросданныходлявозможностяхмодернизациииспользованияалгоритмоввгидродинамических расчетах.В разделе 1.1 дана общая характеристика процессов тепломассообмена награнице «жидкость-газ», «вода – воздух» и «океан-атмосфера».В разделе 1.2 рассматривается классическая одномерная теория тонкогоповерхностного слоя воды на границе раздела с атмосферой, которая описываетусредненный профиль температуры вблизи поверхности. В рамках этой теории8рассматривается пограничный слой океана, его особенности и структура, атакже возможные механизмы формирования режимов холодной и тёплойплёнки.Вразделе1.3описываетсяпространственнаяструктураприповерхностного слоя воды и её неоднородность как необходимое условиесуществования холодной плёнки, а также показано влияние атмосферы наформирование приграничного слоя океана.Вразделе1.4обсуждаютсясовременныеиклассическиеэкспериментальные методы исследования тепломассообмена в натурных илабораторных условиях, а также проведён сравнительный анализ различныхметодов.В разделе 1.5 рассматриваются эмпирические формулы для расчетовконтактного и скрытого потоков тепла в натурных и лабораторных условиях сиспользованием критериев подобия.
Показаны недостатки эмпирическихметодов.В разделе 1.6 обсуждаются возможности численного моделированиятепломассообмена между водой и воздухом без использования эмпирическихпредположений,атакжесовременныепроблемысозданиятеорииповерхностного слоя с учетом его пространственной структуры.Вторая глава посвящена исследованию границы раздела сред методомтермографии. Несмотря на то, что этот метод применяется достаточно давно, внастоящее время возможности этого метода не использованы в полной мере.ТепловизорFlirSC-7700Мпозволяетисследоватьструктуруприповерхностного микрослоя (ПМС) на современном уровне.В разделе 2.1 рассмотрены экспериментальные исследования режимовсуществования поверхности.
Показано, что возможны разные вариантыповерхностной структуры. В этиловом спирте это, в основном, режимконвекции Марангони, а в воде – режим "эластичной поверхности" с большимиперепадами температур на поверхности. В таких жидкостях, как бутиловыйспирт и декан, возможно появление разных типов поверхностной структуры9при незначительном изменении условий эксперимента.
На рис. 1 показановозникновение нескольких типов поверхностного слоя в бутиловом спирте приего обдуве со скоростью 1 м/с. Выбор бутилового спирта связан с тем, что еголетучесть существенно меньше, чем у этилового спирта, в то время каккоэффициент поверхностного натяжения существенно меньше, чем у воды.Рис. 1 — Демонстрация нескольких типов структуры поверхностибутилового спирта при его обдуве в одном экспериментеНа рис.
1 хорошо видна разница в температурах поверхностного слоябутилового спирта при различных режимах, что демонстрирует различия втепловом сопротивлении приповерхностных слоев при наличии и отсутствиитермокапиллярной конвекции.Хорошоформированиеизвестно,чтонеоднородноговводевблизитемпературногоповерхностиполясопроисходитзначительнымиградиентами температуры в узких областях, которые могут быть названы«холодными нитями».
Эта структура связана с приповерхностными вихрями,которые формируют такой температурный профиль за счет испарения идвижения жидкости вблизи поверхности. Показано, что такие холодные нитинепосредственно не связаны с рэлеевскими вихрями. На рис. 2 представленакартина температурного поля поверхности воды в бассейне и в чашке Петри,наполненной водой и плавающей на поверхности бассейна.
Вихри в чашке10Петри гидродинамически изолированы от вихрей в бассейне. Холодные нити наповерхности воды выстраиваются по температурному полю, то есть появлениетемпературного минимума на стенке чашки за счет холодных нитей внутричашки Петри приводит к смещению системы холодных нитей в бассейне инаоборот.Рис. 2 — Термическая структура поверхности тёплой воды в бассейне и вчашке Петри, находящейся на его поверхностиВ то же время, поверхностная система вихрей не может существовать безподпитывающей ее системы рэлеевских вихрей. Холодные нити исчезают приглубине жидкости менее 5 мм, а при глубине менее 3 см исчезаютспиралевидные завихрения на поверхности, связанные с холодными нитями ипоявлением крутящего момента сил поверхностного натяжения (их впервыенаблюдал Ю.
Л. Черноусько в 1971 г). С помощью засева поверхностижидкости легкими частицами, было показано, что в режиме отсутствиятермокапиллярной конвекции верхний слой практически неподвижен, в товремя как при совместной конвекции Релея и Марангони частицы сбиваются вместа опускания холодной жидкости. Кроме того, при неподвижной илислабоподвижной верхней пленке воды можно наблюдать движение «холодныхнитей», (на глубине не более 100 мкм) со скоростью порядка нескольких мм/с.В. этом разделе также проводиться проверка применимости различныхграничных условий на границе раздела вода-воздух.11В разделе 2.2 рассматриваются теоретические аспекты проблемы.Показано, что температурное поле позволяет определить и градиенты скоростивблизи поверхности и сами скорости из теории ламинарного погранслоя,которые хорошо согласуются с измерениями PIV (Particle Image Velocimetry).Толщинапогранслояпоскоростиоказываетсяпорядка0,1 мм,чтоподтверждается и экспериментально. Рассмотрен вопрос о нелинейнойстабилизации слоя за счет изменения числа Нуссельта при возникновенииконвекции Марангони.
Показано, что, помимо молекулярного режиматеплообмена и термокапиллярной конвекции, может существовать еще одиннелинейный режим с увеличенным тепловым сопротивлением по сравнению срежимомтермокапиллярнойконвекции.Анализпогранслоявблизиповерхности на основе данных термографии и термографии с засевом легкихчастиц позволяет оценить поле скоростей в погранслое вблизи границы разделасред. Показано, что нелинейные члены в уравнении Навье-Стокса для слояводы вблизи границы раздела «вода-воздух» могут приводить к изменениюпериодичности приповерхностных вихрей по сравнению с рэлеевскими.Данные термографии в сочетании с засевом поверхности позволяют врежиме термокапиллярной пленки разделить гидродинамическую задачу –знаниеполятемператур,влажностей(исходяизгипотезыоквазистационарности процесса испарения) и скоростей на поверхности вразные моменты времени позволяет решить независимо задачу для воздуха сводяным паром без каких-либо эмпирических предположений о величинетепловых потоков.
Термогидродинамические расчеты для жидкости прииспользовании данных термографии также могут быть сделаны независимо отрасчетов в воздухе.Третья глава посвящена использованию теневого фонового метода(ТФМ) для исследования температурных полей в жидкости вблизи границыраздела сред, а также его совместному применению с термографиейповерхности. Простота применения обоих методов открывает широкиевозможности для их использования в геофизике и инженерных приложениях.12В разделе 3.1 описывается экспериментальная установка для ТФМ и егоосновные принципы. На рис.
3 представлена схема установки и вариантиспользуемого в эксперименте фона.Рис. 3 — Схема установки ТФМ и вариант используемого фона:«хаотичный точечный шум»Метод отличается простотой реализации, и все трудности связаны скомпьютерной обработкой результатов. В работе для обработки данныхиспользуетсяоригинальныйалгоритмикомпьютернаяпрограмма,разработанная на кафедре молекулярной физики физического факультета МГУс.н.с. к.ф.-м.н. Н. А. Винниченко.
ТФМ тестируется на простых режимах: ИК–нагрев воды сверху и испарение спирта в кювете. С помощью ТФМ можнополучатьдвумерныеполятемператур,усреднённыепотолщинерассматриваемого объекта.Раздел 3.2 посвящен исследованиям в небольших кюветах, когда числаРэлея невелики. Рассматривались остывание воды, испарение, установлениеравновесия после прекращения испарения. Температуры, определённые13теневым фоновым методом в реперных точках, согласуются с измереннымитермопарой с точностью не менее чем 0,1 ОС.
Пространственное разрешениеметода связано с оптическими характеристиками камеры и размерамииспользуемой в ней матрицы. В нашей работе пространственное разрешениепроверялось с помощью спектральных компьютерных тестов и составиловеличину 30 30 пикселей, что составляет в разных экспериментах от 0,1 мм до0,5 мм по вертикали и горизонтали. Такое разрешение не является предельновозможным.
Установлено также, что ТФМ не разрешает верхний слойжидкостипорядкамиллиметравблизиповерхностииз-заоптическихповерхностных эффектов и наличия мениска, который не учитывается приобработке. Это никак не влияет на точность расчета температурного поля,потому что поле калибруется по температуре вблизи дна.В разделе 3.3 рассмотрена конвекция в бассейне с размерами31см 16см 25см.
Увеличение числа Рэлея на 3 порядка приводит к изменениюхарактера конвекции. На рис. 4 представлена типичная картина температурногополя при остывании воды.Рис. 4 — Изменение температурного поля в воде с течением времени.Высота видимого столба воды 7,4 см, ширина 30 см, толщина 15,1 см.По вертикали и горизонтали отложены количество зон опроса, каждаязона размером в 5 пикселей, сбоку дана цветовая температурная шкала вградусах Кельвина.
Температура воды в начале эксперимента — 30,5ОС,воздуха — 22,8 ОС, влажность 16 %. Расстояние от середины бассейна до фона207 см, а до объектива — 93 смВ разделе 3.4 рассмотрен эксперимент с одновременной фиксациейтемпературного поля теневым фоновым методом и термографией поверхности.На рис. 5 представлено сравнение полей температур полученных тепловизороми ТФМ в момент всплытия термика в кювете размером 3см 5см 1,8см.14б)a)в)Рис. 5 — Сравнение полей температур, полученных тепловизором и ТФМ.а) поле температур поверхности воды в кювете, полученное тепловизором,б) поле температур в воде, усреднённое по толщине кюветы, в плоскостиперпендикулярной поверхности воды, по вертикали и горизонтали отложеныколичество зон опроса, каждая зона размером в 5 пикселей, сбоку данацветовая температурная шкала в градусах Кельвина. в) профилитемпературы, усреднённые по толщине кюветы, на расстоянии порядка 1 ммот поверхности воды (ТФМ, синий график) и непосредственно наповерхности (интегрируемый слой не превышает 100 мкм, тепловизор,розовый график)Из рисунка видно, что эти данные очень хорошо коррелируют междусобой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
