Введение к работе
Актуальность проблемы. Интерес к изучению конвекции в переменных силовых полях объясняется тем, что с помощью таких полей можно управлять устойчивостью конвективных систем и интенсивностью тепло- и массообмена. В последние годы исследованию конвективных процессов в нестационарных внешних условиях уделяется особое внимание в связи с разработкой ряда систем космических аппаратов, функционирующих в условиях микрогравитации. Актуальность работы связана с необходимостью учета переменной гравитационной и инерционной конвекции на различные технологические процессы, такие как плавление, кристаллизация, получение сверхчистых и композиционных материалов, электрофорез и т.д., реализуемые на космических аппаратах.
Существуют многочисленные технологические процессы, в которых конвективные течения являются нежелательными. Одной из наиболее перспективных методик контроля за состоянием конвективной системы является активное динамическое управление с обратной связью. При достаточно полной теоретической проработке данного вопроса и существующих экспериментальных исследованиях управления режимами течений остается актуальным лабораторное моделирование динамического управления устойчивостью механического равновесия конвективной системы в условиях, когда без управления равновесие неустойчиво.
Цель диссертационной работы: состоит в экспериментальном изучении тепловой конвекции в переменных силовых полях. При этом одна из главных задач заключалась в исследовании влияния на устойчивость конвективных течений высокочастотных изменений силового поля по величине, а другая - в автоматическом управлении с обратной связью устойчивостью конвективной системы с помощью изменения направления силового поля. Рассмотрение проводилось на примере классических задач о неизотермических связанных каналах и плоском слое вертикальной ориентации.
Научная новизна результатов. Впервые разработана методика лабораторного моделирования обогреваемого сбоку плоского вертикального слоя жидкости, в котором колебательные возмущения подъемного и опускного потоков развиваются до состояния взаимодействия.
Впервые экспериментально изучены нестационарные режимы конвекции
в вертикальном слое жидкости, созданном на основе разработанной методики, в
статическом поле тяжести. Получены пороговые значения управляющего
параметра задачи, соответствующие кризисам устойчивости плоско
параллельного конвективного течения ' и
надкритических движений. Изучены пространственно-временная эволюция и структуры колебательных режимов.
Впервые экспериментально изучено влияние концентрации твердой мелкодисперсной примеси на устойчивость конвективного течения в вертикальном слое жидкости.
Впервые в широкой области параметров экспериментально исследовано управляющее влияние высокочастотных поступательных горизонтальных вибраций, приложенных в продольном направлении, на устойчивость конвективных течений в вертикальном слое жидкости. Изучен как вибрационный механизм неустойчивости, так и взаимодействие термовибрационного и термогравитационного механизмов конвекции.
Экспериментально обнаружено дестабилизирующее воздействие вибраций на устойчивость нестационарных конвективных режимов термогравитационной природы в вертикальном слое жидкости.
Впервые экспериментально получен эффект стабилизации устойчивости механического равновесия конвективной системы при помощи динамического управления с обратной связью. Показано что при увеличении коэффициента усиления обратной связи стабилизированное равновесие вновь теряет устойчивость и возникает колебательный режим течения.
Научно-практическая ценность работы состоит в том, что экспериментально обнаруженные в диссертации эффекты стабилизации или дестабилизации механического равновесия и конвективных течений с помощью переменных силовых полей дают возможность бесконтактного управления тепло- и массообменом путем изменения взаимной ориентации вектора ускорения поля тяжести и градиента температуры или выбора направления, частоты и амплитуды вибраций. Часть материалов диссертации вошла в программу спецкурсов "Конвекция в замкнутых объемах" и "Гидродинамика невесомости", а разработанные лабораторные установки - в спецпрактикум "Конвекция в замкнутых объемах", для студентов 3 и 4 курсов физического, и 4 курса географического факультетов Пермского государственного университета.
Работа выполнялась в рамках разрабатываемых кафедрой общей физики Пермского государственного университета тем "Конвекция и теплообмен в ламинарном, переходном и турбулентном режимах; влияние осложняющих факторов на конвективную и гидродинамическую устойчивость" (№ ГРО 1860081295) и "Гидродинамика поляризующихся жидкостей и гетерогенных систем". Исследования являются также составной частью Международного проекта "Конвективные явления и процессы тепломассопереноса в условиях невесомости и микрогравитации", грантов Международного научного фонда Сороса № MF5300, № а468-ф, № а96-2538, гранта № 97-03 Федеральной целевой программы "Интеграция" и Программы "Университеты России" (направление И,
5 "Неравновесные процессы в макроскопических системах"). Автором представляются к защите:
результаты экспериментального исследования динамического управления с пропорциональной обратной связью устойчивостью механического равновесия и конвективного движения в прямоугольном термосифоне, подогреваемом снизу;
результаты экспериментального исследования устойчивости основного течения и надкритических нестационарных режимов конвекции в вертикальном слое жидкости, обогреваемом сбоку и находящемся в статическом силовом поле;
результаты экспериментального исследования влияния концентрации примеси мелких твердых частиц на устойчивость основного течения в вертикальном слое жидкости, который обогревается сбоку и находится в статическом силовом поле;
результаты экспериментального исследования устойчивости конвективных течений термогравитационной и термовибрационной природы, их структур и взаимодействия в вертикальном слое жидкости, обогреваемом сбоку и совершающем высокочастотные продольные вибрации в горизонтальном направлении.
Апробация работы. Основные результаты исследований представлялись на 29 Всесоюзной студенческой научной конференции (Новосибирск, 1991г.), Первой Международной студенческой конференции "Физика и прогресс" (Санкт-Петербург, 1992г.), Восьмом Европейском симпозиуме "Материаловедение и наука в условиях микрогравитации" (Брюссель, 1992г.), на Первом Международном симпозиуме "Физические проблемы экологии" (Ижевск, 1992г.), Международной конференции-школе "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентности" (Москва, 1992г.), на Международной конференции "Негравитационные механизмы конвекции и тепло- массопереноса в условиях микрогравитации" (Звенигород, 1994г.), на 1 Международной зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1995г.), на Третьем международном семинаре "Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей" (Новосибирск, 1996г.), на Второй международной зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1997г.), на Десятом европейском симпозиуме "Физические науки в условиях микрогравитации" (Москва, 1997г.), на Международной конференции "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентности" (Москва, 1998г.), на Пятом международном семинаре "Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей" (Новосибирск, 1998г.), на Пермском городском гидродинамическом семинаре под руководством профессора Г.З. Гершуни (1996-199 8гг.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка используемой литературы (131 наименование). Общий объем диссертации 134 страницы, включая 40 рисунков.