Введение к работе
Актуальность проблемы
Свободная конвекция, обусловленная силами плавучести, широко распространена и часто бывает определяющей в самых разнообразных процессах природы и техники. Это делает важным изучение условий возникновения и пространственно-временную эволюцию гравитащонно-конвективных течений в различных ситуациях и при воздействии разных осложняющих факторов — переменных инерционных ускорений, вынужденного течения, пористой среды, неоднородности состава, магнитного поля, условий космического полета. Настоящая работа, где изложены результаты экспериментальных исследований, выполненных в 1972-2000 г. г., состоит в постановке и решении широкого класса задач конвективной неустойчивости, расширяющих понимание и формирующих общие фундаментальные закономерности термо-гидродинамических систем.
Целью работы является экспериментальное исследование устойчивости механического равновесия и конвективных течений неизотермияеских жидкостей в статическом поле тяжести, в переменных инерционных полях и в условиях космического полета, а также тепловой конвекции магнитных жидкостей в гравитационном и магнитном полях.
Научная новизна работы заключается в проведении ключевых экспериментов по реализации и исследованию вибрационной, параметрической и термомагнитной конвекции, хаотических режимов гравитационной конвекции в простых системах, конвекции в невесомости. При этом впервые:
обнаружено конечно-амплитудное колебательное возбуждение конвекции в полярных жидкостях, смесях и магнитных коллоидах под действием гравитационного расслоения;
обнаружены хаотический режим конвекции в течении простой структуры, колебательный режим на фоне медленного продува, жесткие переходы между возмущенным равновесным и свободно-конвективным
состояниями, изовихревое конвективное течение при боковом обогреве в ячейке Хеле-Шоу;
обнаружены новые структуры конвективных движений в кубической области, эффекты повышения конвективной устойчивости и ориентации конвективной ячейки медленным вынужденным течением;
получены одноячейковые периодические и нерегулярные автоколебательные конвективные режимы в эллипсоиде;
обнаружен эффект увеличения эффективной теплопередачи в пористой среде за счет внутрипоровой конвекции при различии теплопроводностей насыщающей жидкости и пористого материала;
экспериментально реализованы неоднозначность квазистационарных конвективных структур и теплопереноса в ограниченных пористых объемах и конвективные колебания при медленном прокачивании жидкости через пористую среду;
экспериментально исследован эффект стабилизации конвективной устойчивости горизонтального слоя при поперечном прокачивании жидкости;
обнаружены последовательные переходы в системе двух соприкасающихся несмешивающихся жидких слоев от состояния покоя к свободной конвекции в одной из жидкостей и вынужденному течению в другой, а затем - к свободно-конвективным течениям в обоих слоях;
экспериментально реализован вибрационно-конвективный механизм возбуждения тепловой конвекции высокочастотными инерционными ускорениями, изучена конвекция в горизонтальном слое при совместном действии статического и вибрационного механизмов;
экспериментально реализован эффект стабилизации статически неустойчивого механического равновесия неизотермической жидкости высокочастотными вертикальными вибрациями;
экспериментально реализован параметрический резонанс в термоконвекции при модуляции поля тяжести вертикальными инерционными ускорениями;
экспериментально исследована конвективная неустойчивость подъемно-опускного течения в вертикальном слое в режиме развитого взаимодеисгвия температурных волн;
экспериментально исследованы устойчивость и надкритические течения в вертикальном слое при совместном действии статического гравитационного и вибрационного механизмов конвекции, обнаружены термовибрационная мода неустойчивости и режим с неустойчивым уединенным вихрем;
обнаружены нерегулярные волновые режимы конвекции в магнитной жидкости, обусловленные конкуренцией термического и концентрационного градиентов плотности;
исследована термогравитационная конвекция в магнитной жидкости при ориентирующем воздействии подъемно-опускного течения в наклонном и продольного магнитного поля в горизонтальном слоях, а также их конкуренция и стабилизирующее влияние при одновременном наложении во взаимно перпендикулярных направлениях;
исследованы конвективная неустойчивость и теплообмен в горизонтальном слое ферроколлоида под действием термомагнитного механизма конвекции в поперечном магнитном поле, определены условия дестабилизации и, напротив, повышения устойчивости в зависимости от параметров системы;
экспериментально обнаружена термомагнитная мода конвективной неустойчивости течения в вертикальном слое магнитной жидкости в поперечном магнитном поле;
разработаны ячейки для исследования гравитационной и вибрационной тепловой конвекции на космических аппаратах, проведено наземное моделирование течений в этих ячейках применительно к условиям невесомости;
разработан автоматизированная аппаратура "Дакон" (датчик конвекции) для экспериментов на космических аппаратах. В 1998 - 2000 г. г. с прибором выполнено более 50 сеансов измерений в различных модулях и в разных
режимах функционирования орбитальной станции "Мир". Обнаружена конвекция, порождаемая объемными силами плавучести в микрогравитационном поле;
выполнены эксперименты по изучению гравитационной чувствительности в окрестности термодинамической критической точки с использованием французских приборов "ALICE-1,2" на орбитальной станции "Мир". Обнаружены осредненное виброконвективное движение и низкочастотные инерционные колебания.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается
использованием современных методов измерения и обработки данных, детальной проработкой методических вопросов, подробным анализом погрешностей и воспроизводимостью результатов. В тех задачах, для которых имеются теоретические результаты, наблюдается их согласие с экспериментальными данными автора. Так же хорошо его результаты согласуются с экспериментами других авторов там, где такие эксперименты выполнялись.
Научная и практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что в ней получены систематические экспериментальные результаты, имеющие фундаментальное значение для понимания общих фундаментальных закономерностей термо-гидродинамических систем. Большая часть задач, изучаемых в работе, непосредственно связана с подготовкой экспериментов по гидромеханике невесомости и их наземной проработкой, а также с лабораторным моделированием конвекции и теплообмена в технологических процессах и устройствах, в задачах физики атмосферы и океана. Результаты исследований использовались в Институте проблем механики РАН, Институте прикладной математики РАН, Институте физики атмосферы РАН, Институте механики сплошных сред УрО РАН, Ракетно-космической корпорации "Энергия", Пермском государственном педагогическом университете. В 1975 2990 г. г. работа выполнялась в соответствии с Координационными планами АН СССР; в 1987 - 1990 г. г. - по Решению Госкомиссии Совмина СССР № 133
от 20.03.1987. В течение последних десяти лет работа проводилась по программе "Университеты России" (1992), Межвузовской программе (1992), проектам Минобразования РФ (1992, 1994, 1996, 2000), Миннауки РФ (1995), грантам Российского фонда фундаментальных исследований 96-01-01267, 97-01-00559, 00-01-00450, поддержки ведущих научных школ 96-15-96084, 00-15-00112, Международного научного фонда MF 5000 (1993), Европейского Союза INTAS-94-529.
Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 112 работ. Основное содержание диссертации отражено в публикациях [1 - 57]. В частности, эти результаты докладывались на II Всесоюзной конференции "Современные проблемы тепловой конвекции", Пермь, 1975; IV Всесоюзном семинаре по численным методам механики вязкой жидкости, Пермь, 1976; Всесоюзной конференции "Проблемы турбулентных потоков жидкости и газа", Донецк, 1977; Всесоюзном семинаре по прикладной магнитной гидродинамике, Пермь, 1978; П, III и IV Всесоюзных семинарах по гидромеханике и тепломассообмену в невесомости, Пермь, 1981, Черноголовка, 1984, Новосибирск, 1987; III, IV, V и VI Всесоюзных конференциях по магнитным жидкостям, Плес, 1983, 1985, 1988, 1991; XI и XII Рижских совещаниях по магнитной гидродинамике, Рига, 1984, 1987; VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике, Ташкент, 1986; XIV и XV Гагаринских научных чтениях по авиации и космонавтике, Москва, 1986, 1988; III, IV, V Всесоюзных совещаниях по физике магнитных жидкостей, Ставрополь, 1986, Душанбе, 1988, Пермь, 1990; II Всесоюзной конференции "Моделирование роста кристаллов", Рига, 1987; X Всесоюзной конференции по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, Обнинск, 1987; I и II Всесоюзных конференциях "Нелинейные колебания механических систем", Горький, 1987, 1990; Всесоюзном семинаре-совещании по электро гидродинамике жидких диэлектриков, Ленинград, 1989; I и II Российских национальных конференциях по теплообмену, Москва, 1994, 1998; I Российской конференции по космическому материаловедению, Калуга, 1999;
VII Российском Симпозиуме "Механика невесомости. Итоги и перспективы фундаментальных исследований гравитационно-чувствительных систем", Москва, 2000; International Symposium "Self Waves in Biology, Chemistry and Physics", Pushino, 1983; International Symposium "Generation of the Large-Scale Structures in Continuous Media", Perm-Moscow, 1990; International Symposium on Hydrodynamics and Heat/Mass Transfer in Microgravity, Perm-Moscow, 1991; International Symposium on Physical Problems of Ecology, Izhevsk, 1992; VHIth European Symposium on Materials and Fluid Science in Microgravity, Brussels, 1992; International Conference on Flow through Porous Media: Fundamentals and Reservoir Engineering Applications, Moscow, 1992; International Workshop "Non-Gravitational Mechanisms of Convection and Heat/Mass Transfer", Zvenigorod, 1994; International Aerospace Congress, Moscow, 1994; 9th European Symposium "Gravity-Dependent Phenomena in Physical Sciences", Berlin, 1995; 33d and 38th Aerospace Sciences Meetings & Exhibits, Reno, NV, 1995, 2000; Third Microgravity Fluid Physics Conference, Cleveland, Ohio, 1996; 7th, 8th International Plyos Conferences on Magnetic Fluids, Plyos, Russia, 1996, 1998; Joint Xth European and Vlth Russian Symposium on Physical Sciences in Microgravity, St. Petersburg, Russia, 1997; Russian-French Workshop oh Near-Critical Fluids Space Flight Experiments, Toulouse, 1997; 5th, 7th and 8th International Conferences on Magnetic Fluids, Riga, 1989, Bhavnagar, 1995, Timisoara, 1998; IV-VI International Workshops on the Stability of Homogeneous and Heterogeneous Fluids Flows, Novosibirsk, Russia, 1996 - 2000; Russian - US Workshop "OLiPSE 01 Post-Flight Analysis", Perm, Russia, 1998; International Conference on the Methods of Air-Physical Research, Novosibirsk, Russia, 1998; XVIII Microgravity Measurement Group Meeting, Florida, 1999; Meeting of the American Physical Society, 1999; XXVII International Workshop on Nonlinear Oscillations in Mechanical Systems. St. Petersburg, Russia, 1999; International Conference on Fluxes and Structures in Fluids, St. Petersburg, Russia, 1999; II International Conference on Control of Oscillations and Chaos, St. Petersburg, Russia, 1999; Г' Meeting of the Topical Team "Chemical-Physics in Near-Critical and Supercritical Fluids", Paris, 2000; 4th
pamir International Conference "MHD at dawn of 3rd Millennium", Gience, France, 2000; 20th International Congress of Theoretical and AppIIied Mechanics, Chicago, 2000.
II - XIV Всесоюзных, Российских и международных школах "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность", Москва, 1978-2000; Всесоюзных школах "Физические методы исследования атмосферы и океана", Москва, 1981, 1983, 1985; Всесоюзной школе "Стохастические колебания в радиофизике и электронике", Саратов, 1983; XX Всесоюзной школе по физике твердого тела "Коуровка", Пермь, 1986; V— IX Всесоюзных школах "Нелинейные волны", Горький, 1978 -1989; X - XII Международных зимних школах, Пермь, 1995 - 1999;
на Пермском Гидродинамическом семинаре, 1974-2000; на семинарах Института механики МГУ, Института физики атмосферы РАН, Института проблем механики РАН, Института теплофизики СО РАН, Института механики сплошных сред УрО РАН, Seminar "Chemistry and Material Science", University of Alabama in Huntsville, 1997.
Научной сессии Отделения проблем машиностроения, механики и процессов управления РАН "Задачи механики в условиях микрогравитации", Москва, 1993; заседаниях секции № 1 "Космическое материаловедение" Совета РАН по космосу, Москва, 1996, 2000; подсекции 9.3 "Механика невесомости и гравитационно-чувствительные системы" КНТС РАН по научным и прикладным исследованиям, Москва, 1999; проблемного совета № 4 РК НТС Росавиакосмоса, Москва, 2000.
Личный вклад автора. В работах [12, 13, 21, 27] автору принадлежит экспериментальная часть; работы [2, 3, 14], выполнены совместно со студентами под руководством автора, в работах [1, 4-9, 11, 18, 20, 22, 23, 25, 32, 34 - 36, 39 - 42] всеми, а в [37, 38, 43 - 49] частью соавторов являлись студенты, аспиранты я соискатели, работавшие под руководством автора, которому принадлежат постановка задачи, участие в разработке оборудования и методики, поисковых экспериментах, получении и интерпретации данных, в
работе [50] автору принадлежат конструкции кювет и результаты исследования термогравитационной и вибрационной конвекции, в работах [51, 52] -постановка задачи и участие в измерениях, обработке и интерпретации данных; [30, 31, 53] - постановка экспериментальной части исследований, участие в лабораторном моделировании; в работах [54 - 57] - предложение программы космических экспериментов, их сопровождение в центре управления полетами, обработка результатов; в работах [18, 19, 28, 29] - участие в экспериментах и обработке данных.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы и содержит 106 рисунков и 206 страниц текста.