Введение к работе
Актуальность проблемы. Существует большой круг прикладных задач, для решения которых требуется исследование гидродинамической устойчивости и характера течений в конвективных системах при периодическом изменении массовой силы. Однако экспериментально проблема исследована явно недостаточно. Это касается, прежде всего, области параметрического возбуждения конвекции, когда период модуляции поля тяжести сравним с собственными временами гидродинамической системы. Такие задачи возникают при исследовании технологических процессов, например, выращивания кристаллов. Влияние модуляции управляющего параметра на конвективную устойчивость может использоваться для управления конвективным тепломассопереносом. Особое внимание к изучению конвективных процессов в переменных силовых полях применительно к условиям орбитального полета обусловлено развитием космических технологий, таких, как получение сверхчистых и композиционных материалов, электрофорез, получение кристаллов и т.п. Это сделало необходимым более тщательный анализ роли фундаментальных физических явлений в таких ситуациях. Таким образом, исследование конвекции в условиях переменных внешних воздействий в настоящее время весьма актуально.
Цель диссертационной работы. В диссертации ставятся две главных задачи. Первая из них - экспериментально исследовать условия возникновения параметрического резонанса в термоконвективных системах в модулированном поле тяжести, определить структуру, амплитудные и частотные характеристики надкритических колебаний, исследовать интенсивность тепломассопереноса для резонансных областей конвекции. Вторая основная задача диссертации - экспериментальное исследование динамического подавления конвективной неустойчивости в вертикально стратифицированной по температуре жидкости посредством высокочастотных вертикальных колебаний системы как целого. Кроме этого, целью работы является изучение взаимодействия гравитационного механизма конвекции и механизма, определяемого переменными инерционными ускорениями.
Научная новизна результатов. Создана уникальная
экспериментальная установка и разработаны методы параметрического возбуждения и высокочастотного подавления термоконвективных течений переменными силовыми полями, позволяющие проводить широкий круг экспериментов по лабораторному моделированию конвективных процессов, протекающих в нестационарных внешних условиях.
Разработана методика, позволяющая в наземных условиях моделировать процессы, протекающие в' невесомости, и создавать аппаратуру для космических аппаратов.
Впервые экспериментально обнаружены эффекты параметрического возбуждения конвекции, исследованы амплитудно-частотные характеристики
надкритических колебаний, изучены структуры движений, построена карта устойчивости механического квазиравновесия, определена зависимость интенсивности тешюмассопереноса от управляющих критериев задачи.
Впервые экспериментально исследована стабилизация механического равновесия в термоконвективных системах с помощью высокочастотных вибрационных полей. Исследованы эффекты, связанные с взаимодействием гравитационного и вибрационного механизмов конвекции, изучены структуры конвективного движения.
Научно-практическая ценность работы состоит в том, что
обнаруженные экспериментально эффекты параметрического возбуждения и
динамического подавления конвективной неустойчивости в
стратифицированной по температуре жидкости дают возможность
бесконтактного управления конвективным тепломассообменом,
интенсивностью и структурой конвекции путем соответствующего выбора частоты и амплитуды вибраций. Этот метод представляется особенно перспективным в условиях невесомости, где гравитационный механизм конвективного перемешивания ослаблен или вообще отсутствует. С другой стороны, подавление гравитационной конвекции с помощью вибраций может найти применение в таких процессах, как осаждение полупроводниковых материалов на подложку и при выращивании совершенных кристаллов.
Разработанные методы наземного моделирования термоконвективных процессов в невесомости использованы при создании аппаратуры для космических аппаратов и проведения научно-технологических экспериментов в условиях орбитального полета. С использованием материалов диссертации в рамках программы по изучению физики жидкостей в невесомости был подготовлен и проведен эксперимент на орбитальной станции по исследованию вибрационной конвекции в условиях реальной микрогравитации.
Материалы диссертации использованы в программах спецкурсов "Конвекция в замкнутых объемах" и "Гидродинамика невесомости", читаемых студентам 3-5 курсов физического факультета Пермского государственного университета.
Работа выполнялась в рамках разрабатываемой кафедрой общей физики Пермского государственного университета темы "Конвекция и теплообмен в ламинарном, переходном и турбулентном режимах; влияние осложняющих факторов на конвективную и гидродинамическую устойчивость" (№ ГР 01860081295). Исследования являлись также составной частью Проекта "Университеты России", Международных проектов "Конвективные явления и процессы тешюмассопереноса в условиях невесомости и микрогравитации" и "Эксперименты в области микрогравитации и космической технологии на орбитальной станции "Мир" и космическом корабле "Шаттл" и Проектов "Гидродинамика поляризующихся жидкостей и гетерогенных систем" и 'Экспериментальное исследование термоконвекции в переменном инерционном поле" Министерства общего и профессионального образования РФ, грантов Международного научного фонда Сороса № MF5300 "Влияние
высокочастотных вибраций на равновесие и течения неоднородных сред" и
Европейского Союза INTAS - 94 - 529 "Физика жидкостей в невесомости".
Результаты диссертации были использованы при исследованиях в рамках
Государственной научно-технической программы "Астрономия.
Фундаментальные космические исследования", Раздел 5: "Космическое материаловедение", Проект "Конвекция и тепломассообмен в невесомости"; при выполнении работ по хоздоговорам 'Теоретическое исследование, численное и лабораторное моделирование крупномасштабной конвекции во вращающейся среде" с Институтом космических исследований АН СССР, "Лабораторное моделирование методик получения исходных составов для высокотемпературных сверхпроводящих керамик в условиях микрогравитацни" и "Разработка аппаратуры для экспериментального исследования конвекции на борту Орбитального Комплекса "Мир" с РКК "Энергия". Автором представляются к защите;
методика и аппаратура для экспериментальной реализации параметрического возбуждения конвективного движения в стратифицированной по плотности жидкости, находящейся в переменном поле тяжести.
экспериментальное обнаружение эффекта параметрического резонанса в термоконвективной системе при модуляции поля тяжести.
экспериментальное обнаружение эффекта динамической стабилизации механического равновесия подогреваемой снизу жидкости высокочастотными вертикальными вибрациями.
результаты экспериментального исследования конвективной устойчивости и структуры движений при совместном действии гравитационного и вибрационного механизмов конвекции.
Апробация работы. Основные результаты исследований представлялись на Третьем и Четвертом Всесоюзных семинарах по гидромеханике и тепломассообмену в невесомости (Черноголовка, 1984 г.; Новосибирск, 1987 г.), на Второй Всесоюзной конференции "Моделирование роста кристаллов" (Рига, 1987 г.), на Всесоюзной конференции по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Киев, 1987 г.), на Школе-семинаре МГУ "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости" (Москва, 1986 г., 1992 г.), на Всесоюзной школе - семинаре "Методы гидрофизических исследований" (Солнечногорск, 1983 г.), на Всесоюзных Гагаринских чтениях по авиации и космонавтике (Москва, 1986 г., 1988 г.), на Школах "Физические методы исследования атмосферы и океана" (Москва, 1983 г., 1985 г.) и "Нелинейные волны" (Горький, 1987 г.), на Международных симпозиумах 'Тенерация крупномасштабных структур в сплошных средах. Нелинейная динамика структур" (Пермь - Москва, 1990 г.) и "Гидромеханика и тепломассоперенос в условиях микрогравитации" (Пермь-Москва, 1991 г.), на Восьмом Европейском симпозиуме "Материаловедение и науки о жидкостях в условиях микрогравитации" (Брюссель, 1992 г.), на
Первом Международном симпозиуме "Физические проблемы экологии" (Ижевск, 1992 г.), на Международной конференции "Негравитационные механизмы конвекции и тепло массопереноса в условиях микрогравитации" (Звенигород, 1994 г.), на Первой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994 г.), на Первой Международной зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1995 г. ), на Третьем Международном семинаре "Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей" (Новосибирск, 1996 г.), на Второй Международной зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1997 г.), на Десятом Европейском симпозиуме "Физические науки в условиях микрогравитации" (Москва, 1997 г.), на Международной конференции "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентности" (Москва, 1998 г.), на семинарах Института механики МГУ под руководством академика Г.И.Петрова, Института физики атмосферы под руководством академика А.М.Обухова и Пермском городском гидродинамическом семинаре под руководством профессора Г.З. Гершуни.
Структура и объем диссертации. Текст диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы (140 наименований). Общий объем диссертации 136 страниц, включая 41 рисункок.