Введение к работе
Актуальность. Исследования носят, в первую очередь, фундаментальный характер. Экспериментальное обнаружение новых вибрационных эффектов и их систематическое изучение важны для теории вибрационной гидромеханики вращающихся систем, интенсивно развивающейся в настоящее время. Не менее важен и прикладной аспект исследований. Вращающиеся гидродинамические системы с границей раздела широко распространены в природе и технике, и знания о поведении таких систем в вибрационных полях позволят использовать вибрации для управления этими системами, либо предотвращать нежелательное воздействие переменных силовых полей. Обнаружено, что вибрации способны обеспечивать генерацию интенсивных осреднённых потоков в жидкости и, следовательно, дают возможность управлять массопереносом - процессом, который является ключевым во многих химических технологиях.
Целью работы является экспериментальное исследование поведения гидродинамических систем с границей раздела во вращающемся цилиндре при продольных или поперечных вибрациях. Частота вибраций сравнима с частотой вращения, то есть влияние силы Кориолиса велико. Изучение проводится с позиции вибрационной механики.
Научная новизна состоит в экспериментальном изучении динамики гетерогенных систем во вращающейся полости при вибрационном воздействии. Впервые экспериментально исследовано:
поведение двух несмешивающихся жидкостей в цилиндрической полости, подверженной вращению и продольным вибрациям. Обнаружено возбуждение тороидальных течений в легкой жидкости, индуцированных осесиммет-ричной инерционной стоячей волной. Обнаружено резонансное возбуждение опережающего азимутального течения на границе раздела в узлах стоячей волны. Изучена скорость течения в зависимости от скорости вращения полости и параметров вибраций. Определено условие резонанса. Обнаружено образование квазистационарного рельефа на границе раздела фаз в результа-
те неустойчивости Кельвина - Гельмгольца. Изучена динамика рельефа в зависимости от скорости вращения, частоты и амплитуды вибраций;
поведение несмешивающихся жидкостей разной плотности во вращающемся горизонтальном цилиндре, совершающем поперечные оси вращения вибрации. Обнаружен ряд эффектов: отстающее и опережающее азимутальное движение границы раздела фаз относительно полости, вызванное азимутальной волной; осесимметричное изменение формы столба легкой жидкости; осевое течение жидкости; пороговое возникновение квазистационарного рельефа на границе раздела фаз в виде холмов, вытянутых вдоль оси вращения. Показано, что важным параметром, определяющим динамику границы раздела является относительная частота вибраций Qv /П,;
динамика легкой сыпучей среды в жидкости во вращающемся горизонтальном цилиндре при поперечных вибрациях. Обнаружено азимутальное движение границы раздела фаз относительно полости, индуцируемое инерционной волной в условиях резонанса; осевое вторичное течение жидкости; образование на границе раздела рельефа с азимутальной и осевой периодичностью. Изучена скорость азимутального движения и пороги его возбуждения. Определены природа осевого течения и механизм формирования рельефа.
Автором выносится на защиту:
результаты экспериментального исследования осредненнои динамики двух
несмешивающихся жидкостей в цилиндрической полости, подверженной
вращению и продольным вибрациям:
образование тороидальных течений в легкой жидкости, связанное с возбуждением в полости осесимметричной инерционной стоячей волны; изучение пространственного периода вихревой структуры в зависимости от скорости вращения цилиндра, частоты и амплитуды вибраций;
резонансное возбуждение опережающего азимутального течения на границе раздела в узлах стоячей волны и изучение его скорости в зависимости от параметров вибраций и вращения, объяснение условий резонанса;
- образование квазистационарного рельефа на границе раздела в виде пе
риодических осесимметричных гофр; изучение порога возникновения и
пространственного периода рельефа в зависимости от параметров вибра
ций, скорости вращения цилиндра и отношения объемов жидкостей, объ
яснение механизма образования рельефа;
результаты экспериментального исследования поведения двух несмеши-
вающихся жидкостей во вращающемся цилиндре при поперечных вибрациях:
возбуждение отстающего и опережающего азимутального движения границы раздела фаз относительно полости, изучение скорости отстающего течения в зависимости от частоты вибраций,
осеснмметричное изменение цилиндрической формы границы раздела в резонансе, сопровождающееся осевым течением жидкости; объяснение изменения формы границы раздела и природы осевого течения,
образование рельефа с азимутальной периодичностью; возбуждение автоколебаний, проявляющихся в формировании и разрушении рельефа; объяснение механизмов формирования рельефа и автоколебаний;
результаты экспериментального исследования динамики легкой сыпучей
среды в жидкости во вращающемся горизонтальном цилиндре, совершаю
щем перпендикулярные оси вращения вибрации:
возникновение отстающего и опережающего азимутального движения границы раздела относительно полости; изучение порога возникновения и скорости движения в зависимости от параметров вращения и вибраций;
трансформация цилиндрической границы раздела в правильную призму;
возбуждение осесимметричного рельефа в виде холмов и впадин, расположенных периодически вдоль оси вращения.
Достоверность результатов обеспечивается использованием апробированных методов измерения и обработки данных, детальным изучением, анализом результатов и их согласием с экспериментальными и теоретическими работами других авторов в смежных областях исследования.
Научная и практическая значимость. Полученные результаты расширяют и углубляют понимание явлений, имеющих место в гетерогенных средах, подверженных вращению и вибрациям; расширяют представление о процессах, происходящих в атмосфере и в океане, внутри звезд и планетарных ядер; могут служить основой для создания новых способов генерации движения, управления тепло- и массопереносом.
Публикации. Результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [1-13]. Работы [4, 8-10, 12] выполнены диссертантом лично. В [5, 6, 13] исследования, обработка и анализ результатов проведены совместно с соавторами. В работах [1-3, 7, 11] исследования и обработка результатов проведены диссертантом, анализ осуществлен совместно с соавторами
Апробация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на Международной летней школе «Advanced Problems in Mechanics» (С. Петербург, 2005), 14-й и 15-й Зимних школах по механике сплошных сред (Пермь, 2005, 2007), Международной конференции «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность» (Москва, 2006), 12-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Новосибирск, 2006), Международной конференции «Dynamic Days Europe 2006» (Греция, 2006), Международной конференции «ELGRA Biennial Meeting» (Италия, 2007), Пермском гидродинамическом семинаре.
Содержание и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, содержащих результаты исследований, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 126 страниц с рисунками (51) и списком литературы (98 наименований).
Похожие диссертации на Экспериментальное исследование вибрационной динамики многофазных систем во вращающейся полости
