Экспериментальное исследование осредненной вибрационной динамики несжимаемой жидкости Козлов, Виктор Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность. Нетривиальное, подчас парадоксальное поведение механических систем в условиях вибрационного воздействия определяет актуальность теоретического и экспериментального изучения такого рода явлений. Необходимость исследований диктуется тем, что вибрации относятся в числу распространенных факторов, естественно присутствующих в большинстве технологических процессов. Кроме того, вибрации, в силу их эффективного воздействия, могут быть использованы для управления динамикой механических систем в различных технических процессах, в частности, в космических технологиях. Роль вибраций в последнем случае особенно велика, поскольку значительно снижено влияние статического силового поля. Сказанное делает актуальным экспериментальное исследование задач вибрационной динамики, а также поиск и изучение новых явлений и механизмов вибрационного воздействия.

Целью работы является исследование осредненной динамики несжимаемой жидкости в полостях разной геометрии в изотермическом и неизотермическом случаях, а также изучение осредненной динамики гетерогенных систем, состоящих из твердых включений и несжимаемой жидкости, при вибрациях различного типа.

Научная новизна работы состоит в комплексном экспериментальном и теоретическом исследовании динамики несжимаемой жидкости при различном вибрационном воздействии. В работе впервые:

-изучены закономерности трансформации структуры осредненного течения, возбуждаемого вибрирующим в жидкости телом с острой кромкой, при изменении определяющих безразмерных параметров;

-изучено течение жидкости в полости квадратного сечения, совершающей вращательные вибрации относительно своей оси, в зависимости от безразмерной частоты вибраций и его устойчивость;

- исследована устойчивость осциллирующего движения изотермической жидкости в прямых длинных каналах различного сечения в широком интервале безразмерных частот;

-изучена устойчивость вязких скин-слоев Стокса в зависимости от степени возмущенности основного потока. Обоснован вывод о применимости квазистационарного подхода к устойчивости осциллирующего движения жидкости в каналах при наличии в потоке возмущений достаточной интенсивности;

-обнаружено и изучено явление осредненной тепловой конвекции в осциллирующих столбах неизотермической жидкости;

-исследована вибрационная тепловая конвекция в жидкости с внутренним тепловыделением, подтверждена определяющая роль вибрационного параметра Ry при высокочастотных поступательных вибрациях;

-сформулирована и решена экспериментально задача о вибрационной тепловой конвекции в полости, совершающей маятниковые вибрации: обнаружен новый механизм вибрационной тепловой конвекции, выявлен вид нового безразмерного вибрационного параметра;

-построена теория маятниковой вибрационной тепловой конвекции: получены уравнения и граничные условия для описания осредненной конвекции в полостях, совершающих высокочастотные маятниковые колебания. На основании уравнений решена задача устойчивости виброконвективного квазиравновесия жидкости в плоском слое;

-с позиции вибрационной тепловой конвекции экспериментально исследована осредненная конвекция во вращающейся вокруг горизонтальной оси полости;

-экспериментально обнаружен эффект левитации плотного (по сравнению с жидкостью) тела в полости, совершающей вращательные вибрации. Определена осредненная вибрационная сила, действующая на тело, найден определяющий безразмерный параметр;

- построена теоретическая модель, описывающая динамику твердых тел в заполненных несжимаемой жидкостью полостях, совершающих высокочастотные вращательные вибрации;

-изучен эффект формирования пространственного стационарного рельефа на границе раздела песок-жидкость и порогового ожижения песка в совершающей вертикальные вибрации полости. Найден вид определяющих безразмерных параметров;

-изучена осредненная динамика сыпучей среды в полостях с жидкостью, совершающих высокочастотные горизонтальные вибрации. Обнаружен и изучен эффект формирования динамического рельефа на поверхности песка. С позиции двухжидкостной модели вибрационной динамики водо-песчаной смеси дано теоретическое объяснение этого эффекта.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается комплексным подходом (физический эксперимент и теоретический анализ) к решению поставленных задач и сравнением с данными других авторов.

Научная и практическая значимость. Представленные в работе экспериментальные и теоретические результаты углубляют понимание

явлений в неоднородных средах при вибрациях, расширяют представления о возможных механизмах осредненного вибрационного воздействия. Результаты экспериментальных исследований и полученные на основании опытов и теоретического анализа безразмерные комплексы, определяющие вибрационное воздействие при колебаниях разного типа, используются в научно-исследовательской работе в Пермском государственном педагогическом университете, Пермском государственном университете, Институте механики сплошных сред УрО РАН, в лаборатории динамики сыпучих сред в Высшей школе Парижа (Франция), в Институте механики жидкостей (Марсель, Франция), а также в учебном процессе в Пермском педагогическом университете. Разработанные методики экспериментов и результаты исследований конкретных задач могут быть использованы при решении различных технологических проблем не только в земных, но и в условиях орбитального полета.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано печатных трудов - 41. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на: I—IX Всесоюзных школах-семинарах "Нелинейные задачи теории гидродинамической неустойчивости (Москва, 1976-1992); IV Всесоюзной школе "Нелинейные волны" (Горький, 1977); III и IV Всесоюзных семинарах по гидромеханике и тепломассопереносу в невесомости (Черноголовка, 1984; Новосибирск, 1987); XIV Гагаринских научных чтениях по авиации и космонавтике (Москва, 1986); XX Школе по голографии и когерентной оптике (Черновцы, 1989); I Всесоюзном семинаре "Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск, 1989); I^st International Symposium on Hydromechanics and Heat/Mass Transfer in Microgravity (Perm-Moscow, 1991); VIII^th European Symposium "Materials and Fluid Sciences in Microgravity" (Brussels, 1992); International Symposium "International Space Year 1992" (Munich, 1992); XXX^th Cospar Meeting, Symposium "Microgravity Sciences: Results and Analysis of recent Spaceflights" (Hamburg, 1994); International Workshop "Non-Gravitational Mechanisms of Convection and Heat/Mass Transfer" (Zvenigorod,1994); IX^th European Symposium "Gravity-Dependent Phenomena" (Berlin, 1995); II^nd European Symposium "Fluids in Space" (Naples, 1996); II Конференции российских и американских исследователей, работающих по программе "Наука-NASA" (Калининград, 1996); III^ті International Conference on Micromechanics of Granular media "Powders and Grains 97" (Duke University Durham, North Carolina, USA, 1997); Joint X^th European an VI^th Russian Symposium on "Physical Sciences In Microgravity" (St. Petersburg, Russia, 1997); EUROMECH III^rd European Fluid Mechanics Conference (Gottingen, 1997), а также на Пермском городском гидродинамическом семинаре (регулярно,1975-1997).

Лычный вклад автора. Работы [2, 3, 12, 14, 15, 18, 19, 25, 33, 39] выполнены автором лично. Работы [11,20] выполнены под руководством автора совместно с Ивашкиным СВ., [4] - с Поляковой Н.Г., [24, 28] - с ГабдрахмановымК.К., [13]-с Шатуновым СБ. и [22] - с РыловойВ.В. В работе [17] автору принадлежит руководство экспериментальными исследованиями и интерпретация экспериментальных результатов. В работах [1, 5, 6, 8, 10, 21, 30, 32, 34, 37-41] автору принадлежит постановка задач, участие в экспериментах и интерпретация результатов, в работе [32] кроме перечисленного - теоретическая часть. В работах [9, 23, 26, 27, 29, 31, 35, 36] автору принадлежит руководство экспериментальной частью исследований. В работе [7] автору принадлежит обоснование и разработка орбитального эксперимента по изучению вибрационной тепловой конвекции в цилиндрическом слое.

Структура работы и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, содержащих результаты исследований, перечня основных выводов и списка литературы. Диссертация содержит 250 страниц текста с рисунками (87) и 160 ссылок на литературные источники.