Влияние управляемых вибрационных воздействий на структуру течения жидкости и тепло-массоперенос.

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 проекта 24-29-00101

НазваниеВлияние управляемых вибрационных воздействий на структуру течения жидкости и тепло-массоперенос.

Руководитель Федюшкин 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

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 слова гидродинамика, 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В течение отчётного периода 2024 года было проведено численное решению следующих задач: 1. Исследование вибрационных способов симметризации ламинарного течения жидкости в плоском диффузоре. 2. Исследование расслоения температуры и концентрации в центре замкнутой области, подогреваемой сбоку, для колебательных режимов термо-концентрационной конвекции без и с вибрационным воздействием на объём жидкости со стороны вертикальных или горизонтальных стенок области. 3. Проведение численного моделирования по определению влияния вибраций на возникновение конвекции, гидродинамику и теплоперенос в задаче Рэлея-Бенара. 4. Изучение влияния вибрационного воздействия на структуру течения расплава и пограничные слои при выращивании монокристаллов методом Бриджмена. При численном решении задачи 1 были получены следующие результаты: 1. Симметризовать течения вязкой жидкости в диффузоре с помощью слабого гармонического вибрационного воздействия можно двумя способами: 1 - приложенного по нормали со стороны стенок диффузора, и 2 - приложенного по нормали со стороны входа в диффузор. 2. Метод низкоамплитудной вибрации является оптимальным для эффективной симметризации потока с минимальным негативным влиянием на скорость и структуру основного потока. Например, результаты моделирования показали, что для симметризации потока в диффузоре (Re=279, b= 4 градуса) достаточно интенсивности вибрационного воздействия менее 0,01% (Re_vibr=0.02) в первом случае (при вибрационном воздействии со стороны стенок диффузора) и менее 1% (Re_vibr=2.4) во втором случае (при вибрационном воздействии со стороны входа в диффузор). 3. При высокоамплитудном воздействии со стороны стенок диффузора можно симметризовать интенсивные течения, кроме этого, возможно существенно изменять профиль скорости основного течения с выпуклого на вогнутый высокоструйный. Вибрационные воздействия со стороны стенок диффузора при больших числах Рейнольдса ламинизируют течение и улучшают симметрию течения, но не абсолютно. 4. При задании на входе в диффузор основного потока с периодической скоростью (перепадом давления), в плоском диффузоре образуется среднее течение с поперечными профилями скорости, имеющими два максимума у стенок диффузора (течение существенно отличное от пуазейлевского). То есть в плоском диффузоре при периодическом основном входном потоке существует эффект Ричардсона. В процессе решения задачи 2 были получены следующие результаты: 1. Определено, что расслоение температуры и концентрации немонотонно зависят от интенсивности конвекции (числа Грасгофа). Найдены немонотонные зависимости величины температурного (концентрационного) расслоения в центре квадратной области от числа Грасгофа и показано существование эффекта максимума температурного и концентрационного расслоения в зависимости от числа Грасгофа. Эффект максимума температурного и концентрационного расслоения в центральной части объёма существует для разных чисел Прандтля и Шмидта. 2. Анализ параметрических результатов показал, что у колебательной тепловой конвекции в квадратной области (при подогреве сбоку) в определённом диапазоне чисел Грасгофа (приблизительно 10^6<=Gr<=10^7) существует замкнутый пограничный слой и течение имеет регулярно периодический характер во времени. При увеличении числа Грасгофа при Gr>10^7 колебательное течение тепловой конвекции перестаёт быть регулярно периодическим по времени, становясь неупорядоченно хаотичным и переходным к турбулентному. 3. Рассмотрена задача о термо-концентрационной конвекции в квадратной области с горизонтальными и противоположно направленными градиентами температуры и концентрации. Для квазистационарного режиме показаны детали формирования нестационарной периодической структуры колебательной термо-концентрационной конвекции. Данный периодический характер термо-концентрационной конвекции (при Gr=10^7, Pr=0,7, Grс=10^7 и Sc=0,7) имеет другую природу происхождения (чем у течения тепловой конвекции) и обусловлен периодическим противоборством двух крупномасштабных вихрей, вызванных тепловой и концентрационной конвекцией. 4. При периодическом вибрационном воздействии на конвективную ячейку (Gr=10^7, Pr=0,7) со стороны её стенок наблюдается разделение осреднённого по времени конвективного потока на две зоны: первая – это течение жидкости вблизи стенок, а вторая – это медленный спутный поток жидкости в ядре области. Данный эффект значительнее проявляется при горизонтальных вибрациях вертикальных стенок. Это можно объяснить тем, что горизонтальные вибрации воздействуют на пограничные слои на вертикальных стенках, где генерируется конвективное подъёмное/опускное течение. В ходе решения задачи 3 были получены следующие результаты: 1. При надкритическом числе Рэлея Ra=Gr Pr=4⋅10^3 (при Pr=1) в слое с удлинением L/H=10 конвективное течение возникает порогово и устанавливается ламинарное течение с 10 подъёмно-опускными ячейками. При наложении вертикальных вибрационных воздействий малой интенсивности, приложенных к нижней стенке горизонтального слоя с вибрационным числом Рейнольдса Re_vibr= =0.01, количество Рэлей-Бенаровских ячеек на установившемся квазистационарном режиме уменьшается до 9 . Таким образом с помощью вибрационного воздействия можно управлять структурой конвекции Рэлей-Бенара. 2. Время возникновения конвекции Рэлей-Бенара можно сократить с помощью вертикального вибрационного воздействии со стороны нижней стенки. Например, расчёты показали, что при Ra=4⋅10^3, Pr=1 и слабом вертикальном вибрационном воздействии со стороны нижней стенки (Re_vibr=0.01) время возникновения конвекции Рэлей-Бенара сокращается в 50 раз. 3. Критическое число Рэлея возникновения конвекции Рэлея-Бенара также можно уменьшить слабым вибрационным воздействием в десятки раз. Данные результаты являются важными для применения вибрационного воздействия в таких процессах, как кипение, охлаждение, испарение, рост кристаллов (методом горизонтальной направленной кристаллизации в лодочке, эпитаксиальный рост плёнок). В процессе решения задачи 4 были получены следующие результаты: 1. Вибрационным воздействием на расплав можно менять структуру конвективного течения в расплаве, влиять на тепломассоперенос и уменьшать толщину пограничных слоёв, то есть увеличить градиенты (скорости, температуры, концентрации) около фронта кристаллизации, этим можно интенсифицировать тепломассообмен и скорость роста выращиваемых кристаллов. 2. Характер и структура осредненного потока расплава управляется изменением вибрационного числа Рейнольдса. Например, в зависимости от вибрационного числа Рейнольдса можно сменить направление вихревого течения под вибратором на противоположное. 3. Для расплавов с числом Прандтля больше единицы, изменение температуры за один период вибрационного воздействия составляет не более 1%.

Публикации

1. Федюшкин А.И. Вибрационное влияние на тепломассоперенос при выращивании монокристаллов Физическое и математическое моделирование геосредах: Десятая международная научная конференция-школа молодых ученых; 23 - 25 октября 2024 г., Москва: Материалы конференции. – М.: ИПМех РАН, 2024, с. 179 – 182. , Физическое и математическое моделирование геосредах: Десятая международная научная конференция-школа молодых ученых; 23 - 25 октября 2024 г., Москва: Материалы конференции. – М.: ИПМех РАН, 2024, с. 179 – 182. (год публикации - 2024)

2. Федюшкин А.И., Гневушев А.А., Захаров А.С. Симметризация течения вязкой жидкости в плоском диффузоре Материалы XXV Международной конференции Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность 18 – 24 февраля 2024 г. г. Звенигород, Московская область, пансионат Звенигородский / отв. ред. Н. В. Никитин, Н. В. Попеленская. Москва: Институт механики МГУ, 2024, с. 115–117. , Материалы XXV Международной конференции Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность 18 – 24 февраля 2024 г. г. Звенигород, Московская область, пансионат Звенигородский / отв. ред. Н. В. Никитин, Н. В. Попеленская. Москва: Институт механики МГУ, 2024, с. 115–117. (год публикации - 2024)

3. Федюшкин А.И. Вибрационные способы симметризации стационарного асимметричного течения вязкой жидкости в плоском диффузоре Скоростной транспорт будущего: перспективы, проблемы, решения. Тезисы 3-й Международной научно-технической конференции. – М.: Издательство «Перо», с. 181-183. , Скоростной транспорт будущего: перспективы, проблемы, решения. Тезисы 3-й Международной научно-технической конференции. – М.: Издательство «Перо», с. 181-183, 2024. (год публикации - 2024)

4. Федюшкин А.И., Иванов К.А. Комплекс программ AliceFlow и примеры решения задач свободно конвективных и вынужденных течений Материалы XV Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI’2024), 1–8 сентября 2024 г., Алушта. — Москва: Изд-во МАИ, с. 294 — 297, Материалы XV Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI’2024), 1–8 сентября 2024 г., Алушта. — М.: Изд-во МАИ, 2024, с. 294 — 297. (год публикации - 2024)

5. Федюшкин А.И., Гневушев А.А., Захаров А.С. Vibrational methods for the symmetrization of asymmetric laminar viscous fluid flow in a plane diffuser. Журнал «Fluid Dynamics».2024. № 8. , Журнал «Fluid Dynamics».2024. № 8. (в печати) (год публикации - 2024)

6. Федюшкин А. И. Колебательная свободная конвекция и вибрации Материалы XV Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI’2024), 1–8 сентября 2024 г., Алушта. — М.: Изд-во МАИ, 2024. с. 289 — 291., Материалы XV Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI’2024), 1–8 сентября 2024 г., Алушта. — М.: Изд-во МАИ, 2024. с. 289 — 291. (год публикации - 2024)

7. Федюшкин А.И. The influence of controlled vibration effects on fluid flow in technological and engineering processes In: Feng, G. (eds) Proceedings of the 10th International Conference on Civil Engineering. ICCE 2023. Lecture Notes in Civil Engineering, vol 526. Springer, Singapore. pp. 656–664, 2024. https://doi.org/10.1007/978-981-97-4355-1_64, In: Feng, G. (eds) Proceedings of the 10th International Conference on Civil Engineering. ICCE 2023. Lecture Notes in Civil Engineering, vol 526. Springer, Singapore. pp. 656–664, 2024. https://doi.org/10.1007/978-981-97-4355-1_64 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1007/978-981-97-4355-1_64

8. Федюшкин А.И. Особенности конвективных и вынужденных ламинарных течений вязкой несжимаемой жидкости 51 школа-конференция «Актуальные проблемы механики» памяти Д.А. Индейцева: сборник аннотаций, 19–21 июня, 2024 г., с.252-253., 51 школа-конференция «Актуальные проблемы механики» памяти Д.А. Индейцева: сборник аннотаций, 19–21 июня, Великий Новгород. 2024 г. – 299 с. (год публикации - 2024)

9. Федюшкин А.И., Гневушев А.А,, Захаров А.С. Два вибрационных способа симметризации течения вязкой несжимаемой жидкости в плоском диффузоре Сборник материалов школы: "Волны и вихри в сложных средах", 15-ая международная конференция – школа молодых ученых; 19-22 ноября 2024г., Москва, Ин-т проблем механики РАН, с. 227-230, Сборник материалов школы: "Волны и вихри в сложных средах", 15-ая международная конференция – школа молодых ученых; 19-22 ноября 2024г., Москва, с. 227-230. (год публикации - 2024)

10. Федюшкин А.И. Convection and Stratification of Temperature and Concentration Fedyushkin, A. (2024). Convection and stratification of temperature and concentration. Fluid Dynamics & Materials Processing, 20(6), 1351-1364. https://doi.org/10.32604/fdmp.2024.050267, FDMP-Fluid Dynamics & Materials Processing, Vol.20, No.6, pp. 1351-1364, 2024, DOI:10.32604/fdmp.2024.050267 (год публикации - 2024)
10.32604/fdmp.2024.050267

11. Федюшкин А.И. Структура колебательной свободной конвекции при вибрационном воздействии. IX Всероссийская научная конференция с элементами школы молодых учёных ТЕПЛОФИЗИКА и ФИЗИЧЕСКАЯ ГИДРОДИНАМИКА. Сочи. Отель «Акваград» 8–15 сентября 2024 г. ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ. Институт теплофизики СО РАН, Новосибирск. 2024, с. 31. , Новосибирск, Институт теплофизики СО РАН, с. 31. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Проведено численное решение задачи по определению влияния поперечных вибраций на структуру течения и на пограничные слои при обтекании изотермической и нагретой пластины и получены следующие результаты: 1.1. Характер изменения структуры течения и пограничных слоёв в зависимости от скорости набегающего потока и амплитудно-частотных характеристик вибрационного воздействия (от слабого до сильного, в зависимости от числа Струхаля, с возможным запиранием продольного течения и теплопереноса). 1.2. Вибрационное воздействие приводит к уменьшению толщин динамического и температурного пограничных слоёв на пластине (увеличению среднего по времени числа Нуссельта). 1.3. При вибрационном воздействии коэффициент трения жидкости на пластине увеличивается (подбором амплитудно-частотных характеристик коэффициент трения можно изменять по длине пластины). 1.4. Данные результаты важны для управления теплообменом и силами трения на твердой поверхности для ряда приложений, например, в процессах эпитаксиального роста кристаллов, а также при изучении процессов донного наноса песка в морях и реках. 2. Проведено численное моделирование по определению влияния вибраций на пограничные слои в модели кристаллизации метода Чохральского и получены следующие результаты: 2.1. Для модели метода Чохральского с погруженным вибратором, для разных свойств жидкостей показано уменьшение толщины пограничных слоев при вибрационном воздействии, что подтверждает общую закономерность данного факта. 2.2. Показано, что вращательно-качательные вибрации погруженной пластины, кроме интенсификации течения и перемешивания расплава, воздействуют на осредненное поле температуры и структуру пограничного слоя под кристаллом, что можно использовать в качестве управляющего механизма. 2.3. Вращательно-качательные вибрации погруженного вибратора эффективное средство перемешивания расплава может быть альтернативой вращению тигля. 3. Проведено численного моделирования по определению влияния вибраций на пограничные слои в модели кристаллизации по методу зонной плавки и получены следующие результаты: 3.1. Вибрационное воздействие может быть эффективным управляющим механизмом интенсификации теплообмена при выращивании монокристаллов с малыми числами Прандтля методом зонной плавки. 3.2. Высокочастотные гармонические вибрации с малой амплитудой уменьшают толщину пограничных слоев (динамического, температурного,) и увеличивают градиенты температуры на фронте кристаллизации, что может способствовать интенсификации отвода скрытой теплоты кристаллизации, стабилизации росту кристаллов и увеличению скорости кристаллизации. 3.3. Результаты численного моделирования показали, что для расплава кремния (Pr=0.01) среди различных механизмов перемешивания расплава (конвекция, вращение, вибрации) высокочастотные гармонические вибрации с малой амплитудой являются наиболее эффективным средством для перемешивания расплава и интенсификации теплообмена на фронте кристаллизации. 4. Проведено исследование конвективного расслоения температуры и концентрации в центре замкнутой области, подогреваемой сбоку и колебательных режимов гравитационной конвекции для разных чисел Прандтля. Получены следующие результаты: 4.1. Конвективное течение при превышении критического числа Грасгофа Gr* (Gr>Gr*), от стационарного течения метастабильно переходит в колебательное квази-периодическое, и при Gr>Gr**>Gr* переходит в хаотически-колебательное и затем в турбулентное. Такая смена режимов конвекции иллюстрирует возникновение нормальной и обратной бифуркаций Андронова-Хопфа. 4.2. Показаны отличия механизмов квази-периодических колебательных течений при числах Прандтля Pr>1 и Pr<1. Частоты колебаний скорости и температуры отличаются от случая Pr=1 приблизительно в 1/Pr раз. 4.3. Величины температурного и концентрационного вертикального расслоения имеют максимумы при определённых числах Рэлея. 4.4. Найдены зависимости вертикального температурного (концентрационного) расслоения в центре области от чисел Прандтля и Шмидта, показано, что вторичные локальные экстремумы расслоения связаны со вторичными возвратными течениями внутри замкнутой области. 4.5. Построены фазовые портреты для скорости и компоненты вязких напряжений, показывающие зависимость количества противотоков в горизонтальном слое от компоненты тензора вязких напряжений.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта направлены на управление структурой течения жидкости и интенсификацию тепло-массопереносом с помощью вибрационных воздействий. В частности, результаты могут быть использованы в технологиях при получении новых материалов, медицине, в процессах с управлением, интенсификацией тепло-массопереноса и охлаждением (энергетические установки, процессы охлаждения и кипения).