КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 24-29-00101
НазваниеВлияние управляемых вибрационных воздействий на структуру течения жидкости и тепло-массоперенос.
РуководительФедюшкин Алексей Иванович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2024 г. - 2025 г. |
Конкурс№89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-105 - Газо- и гидродинамика технических и природных систем
Ключевые словагидродинамика, численное моделирование, конвекция, вибрации, пограничные слои, тепло-массоперенос, рост кристаллов, течение в плоском диффузоре, симметрия течения, периодический вдув-отсос
Код ГРНТИ30.17.23
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на исследование влияния вибрационного воздействия на структуру течения жидкости и на тепломассоперенос, в том числе и на изменение пограничных слоёв (динамического, температурного и концентрационного, т.е. на градиенты соответствующих величин). Предполагается провести исследования для ламинарных течений жидкостей с различными свойствами, в широких диапазонах чисел Рейнольдса, Рейнольдса вибрационного, Рэлея, Прандтля и Шмидта.
Актуальность исследований по управлению структурой течения жидкости, тепломассопереносом и толщиной пограничных слоёв определяется тем, что это фундаментальная научная проблема гидродинамики и тепломассопереноса, имеющая важное значение для многочисленных приложений. Управление шириной пограничных слоёв для задач гидродинамики имеет принципиальное значение в различных отраслях промышленности: авиационной, нефтегазовой, химической, машиностроении и др. Среди таких приложений можно выделить процессы выращивания совершенных монокристаллов, необходимое качество которых накладывает повышенные требования к характеру конвективного перемешивания расплава, распределению примеси в расплаве и способу отвода тепла от растущего кристалла. Процессы выращивания монокристаллов чувствительны к конвективному тепломассопереносу, и имеют повышенные требования к управлению им. Для управления теплопереносом первостепенное значение имеют знание, умение и способность управлять градиентами температуры и концентрации около фронта кристаллизации (погран. слоями), то есть управлять концентрационным переохлаждением, и как следствие, управлять скоростью кристаллизации и интенсификацией теплоотвода от растущего кристалла. Ранее авторами проекта было показано, что с помощью вибрационного воздействия на расплав можно увеличить градиенты температуры и концентрации у фронта кристаллизации. В проекте планируется получить результаты по влиянию вибраций на пограничные слои и выбору оптимальных параметров вибраций применительно к процессам выращивания монокристаллов методами: Бриджмена, Чохральского и плавающей зоны.
В проекте планируется провести исследования по определению влияния вибраций на возникновение конвекции, структуру конвективного течения и теплоперенос в горизонтальном слое, подогреваемом снизу (задача Рэлея-Бенара с вибрацией подогреваемой стенки). А также провести исследования по исследованию симметризации асимметричного потока жидкости в диффузоре с помощью вибрационного воздействия, осуществляемом двумя способами: 1) периодическим воздействием на скорость входного потока в диффузор, 2) периодическим вдувом-отсосом через стенки диффузора. Авторами проекта получены предварительные результаты по симметризации потока жидкости в диффузоре, которые показали, что для симметризации потока в диффузоре достаточно вибрационного воздействия на два порядка меньшей интенсивности, чем основное течение. Результаты данного исследования важны в машиностроении при оптимизации впрыска топлива в двигатель; в биомедицине при создании новых технологий и методов точной адресной доставки лекарственных препаратов к участкам органов при лечении человека.
Ожидаемые результаты данного проекта актуальны и для других задач и приложений, например, таких как: снижение сопротивления тела, движущегося в жидкости; управления переходом ламинарного слоя к турбулентному; процессы кипения, охлаждения и теплоотвода в электронных приборах и суперкомпьютерах, тепловых и ядерных энергетических установках; задачи фильтрации с целью увеличения нефтеотдачи; при получении новых материалов и лекарств; в медицине (кардиологии – проблема кальциноза аорты и клапанов сердца, гемодинамике, урологии и др.); интенсификация перемешивания в химических реакторах и др.
В связи с этим задача по исследованию способов вибрационного управления структурой течения и толщинами пограничных слоёв, на решение которой направлен данный проект, является актуальной фундаментальной проблемой с многочисленными приложениями.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта предполагается получить результаты о характере влияния на структуру течения жидкости и пограничные слои, а также по определению диапазонов частотно- амплитудных характеристик вибрационного воздействия на течение жидкости для оптимального управления структурой течения и толщиной пограничных слоёв (динамических, температурных и диффузионных, а также градиентами соответствующих величин) в том числе и способов управления симметризацией течения жидкости в канале в зависимости от свойств жидкости и интенсивности течения. Данные исследования относятся к решению фундаментальной научной проблемы гидродинамики и тепломассопереноса, имеющей важное значение в многочисленных приложениях. К таким приложениям относятся процессы выращивания совершенных монокристаллов, необходимое качество которых накладывает повышенные требования к характеру конвективного перемешивания расплава, распределению примеси в расплаве и способу отвода тепла от растущего кристалла. Процессы выращивания монокристаллов чувствительны к конвективному тепломассопереносу, и имеют повышенные требования к управлению им. Для управления теплопереносом первостепенное значение имеют знание, умение и способность управлять градиентами температуры и концентрации около фронта кристаллизации (толщиной температурных и концентрационных пограничных слоёв). Ранее авторами проекта было показано, что с помощью вибрационного воздействия на расплав можно увеличивать градиенты температуры и концентрации у фронта кристаллизации. Получение новых знаний по изменению тепловых и концентрационных слоёв (градиентов температуры и концентрации) с помощью вибрационного воздействия при выращивании кристаллов важно для управления концентрационным переохлаждением, и как следствие, для управления скоростью кристаллизации и способов интенсификации теплоотвода от растущего кристалла, что имеет первостепенное значение для получения совершенных кристаллов. Тема данного исследования является новой и достаточно объёмной, но в рамках данного проекта планируется рассмотреть только ламинарные течения жидкости и гармонические вибрационные воздействия с малыми амплитудами и частотами от 1 Гц до 1КГц. Планируется рассмотреть жидкости с разными свойствами и примесями (с числами Прандтля и Шмидта больше и меньше единицы). Случай равенства единице чисел Прандтля и Шмидта также предполагается рассмотреть, в этом случае можно определить влияния отличий в граничных условиях для скорости, температуры и концентрации и ожидать различия воздействия вибраций на динамический, тепловой и диффузионный пограничные слои. Отличие чисел Прандтля и Шмидта от единицы накладывает ограничения на характеристики вибрационных воздействий, поскольку характерные времена для скорости, распространения тепла и примеси будут разными, а также характер структуры течения жидкости, поля температуры (концентрации) и пограничных слоев (тепловых и диффузионных) будут сильно зависеть от величин чисел Прандтля и Шмидта.
Численное моделирование планируется провести на основе решения полных (не осреднённых) уравнений Навье-Стокса, и планируется проводить исследования на основе анализа установившихся средних (по времени) характеристик для квазистационарных режимов течения.
Следует отметить, что ожидаемые результаты данного проекта важны не только для совершенствования технологий получения монокристаллов, а актуальны ещё и для многих других приложений, например, для внешней аэро-гидродинамики актуальными задачами являются снижение сопротивления тела, движущегося в газе или жидкости, и управление переходом ламинарного пограничного слоя к турбулентному, что определяется характеристиками течения и пограничных слоёв, которые можно изменять, например, периодическим вдувом (отсосом) на поверхности тела; для медицины (например, кардиологии - проблема кальциноза аорты и клапанов сердца, гемодинамики, урологии и др.); для технологических процессов с тепломассообменом при получении новых материалов и лекарств; для охлаждения суперкомпьютеров, тепловых и ядерных энергетических установок с необходимостью охлаждения и управления теплоотводом; для задач фильтрации при добыче нефти и газа. Поэтому ожидаемые результаты реализации данного проекта имеют большую фундаментальную и прикладную значимость для развития новой научной тематики, которую условно можно назвать, как управляемое вибрационное воздействие на тепло-массообмен с целью определения возможности управления структурой течения жидкости (в частности, симметризации асимметричного потока жидкости в диффузоре), а также конвективным тепломассопереносом и толщиной пограничных слоёв.
В проекте планируется провести исследования по определению влияния вибраций на время возникновения конвекции, структуру конвективного течения и теплоперенос в горизонтальном слое, подогреваемый снизу (задача Рэлея-Бенара с вибрацией подогреваемой стенки). Это новая задача и отличается от случая задачи Рэлея-Бенара с высокочастотными вибрациями всего горизонтального слоя, как целого (так называемый g-jitter), которую ранее решали на основе осреднённых по "быстрому времени" уравнений Навье-Стокса другие авторы, а также и авторы данного проекта.
Авторы проекта планируют получить результаты по симметризации потоком жидкости в диффузоре при вибрационном воздействии, осуществляемом двумя способами: периодическим воздействием на скорость входного потока в диффузор, либо периодическим вдувом-отсосом через стенки диффузора. Предварительные результаты показали, что для симметризации асимметричного потока в диффузоре достаточно интенсивности вибрационного воздействия на два порядка меньше интенсивности основного течения. Ожидаемые результаты данного проекта могут предложить новый способ симметризации асимметричных потоков в каналах, что может быть важно для различных приложений, например, в машиностроении для инжекции топлива в двигателях, а также в биомедицине при создании новых технологий и методов точной адресной доставки лекарственных препаратов к необходимым участкам органов при лечении человека.
В рамках данного проекта предполагается получить результаты следующих новых вибрационных гидродинамических задач: 1 - изучение влияния вибраций на пограничные слои при ламинарном обтекании пластины (изотермической и подогреваемой - задача Блазиуса с вибрационным воздействием), 2 - исследование симметризации асимметричного ламинарного течения жидкости в плоском диффузоре при вибрационном воздействии на основной поток течения со стороны входа и со стороны твёрдых стенок диффузора, 3 - изучение влияния вибрационного воздействия на структуру течения расплава и пограничные слои (динамические, тепловые и концентрационные ) при выращивании монокристаллов: методом Бриджмена, Чохральского и зонной плавки. Предполагается провести исследование данных квазистационарных течений на установившихся режимах. Все эти задачи даже без вибрационного воздействия имеют свои следующие принципиальные особенности: 1 - это задача внешнего обтекания и имеет значение для задач аэро-гидродинамики и задач выращивания кристаллов методами газовой и жидкостной эпитаксии; 2 – -это обобщённая задача Джеффри-Гамеля с ламинарными симметричными и асимметричными течениями в диффузоре; 3 - это конвективные течения при выращивании кристаллов: в случае вертикального метода Бриджмена – растущий кристалл обычно внизу, подогрев сверху и, при определенных граничных условиях на вертикальных стенках контейнера - это устойчивая конвективная конфигурация; конвективная особенность модели метода Чохральского заключается в том, что в нем подогрев снизу и сбоку, растущий кристалл сверху и присутствуют вращения тигля и кристалла; в методе зонной плавки имеется теплообмен излучением и свободная поверхность, с возможно интенсивной конвекцией Марангони . Поэтому ожидаемые результаты данного проекта о проявлении влияния вибрационного воздействия на течения жидкости в данных задачах, в общем случае, не будут подобными, а результаты их исследований смогут обобщить вывод о вибрационном воздействии на структуру течений жидкостей.
Научная значимость ожидаемых результатов данного проекта заключается в решении сформулированной новой научной проблемы по вибрационному воздействия на структуру течения жидкости и пограничные слои и выявлении особенностей для каждой из описанных в проекте задач (для различных управляемых вибрационных воздействий и свойств жидкостей).
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ