Введение к работе
13381
-
Актуальность темы
В современной технике широко используются фазовые превращения жидкость-газ. В то же время свойства и структура межфазного слоя, определяющего характер процессов фазовых превращений, изучены слабо. Это связано с малыми размерами переходной области между жидкостью и газом, толщина которой в нормальных условиях не превышает нескольких молекулярных диаметров. Традиционно при решении задач тепломассообмена используется классический подход Гиббса [1], рассматривающий интерфазу как разделяющую поверхность нулевой толщины, которой приписаны все поверхностые свойства. Применение этого весьма упрощенного метода описания межфазного слоя является плодотворным и во многих случаях оправдано. Однако подход Гиббса становится неадекватен в тех случаях, когда поверхностное натяжение в системе жидкость-газ начинает отличаться от своего значения для системы в состоянии насыщения при плоской границе раздела. Ярким примером этому служит зависимость поверхностного натяжения от кривизны поверхности. Если соотношение для поправки получено Толменом еще в середине XX века, то значение входящего в нее параметра Толмена не может быть вычислено в рамках термодинамического подхода Гиббса, и оживленная дискуссия о способах его определения ведется до сих пор.
Изменение кривизны поверхности раздела между жидкостью и паром -не единственный способ повлиять на свойства интерфазы. Воздействие внешних полей, интенсивные фазовые превращения вполне могут привести к изменению поверхностного натяжения. Влияние этих факторов приводит к появлению неоднородностей полевых переменных в межфазном слое. Если характерный масштаб подобной неоднородности становится соизмеримым с толщиной межфазного слоя, то его свойства должны измениться.
В результате воздействия неоднородностей полевых переменных на межфазную границу раздела жидкость-газ возможно проявление таких эффектов, как изменение границ термодинамической устойчивости системы, параметров фазового равновесия и асимптотических законов для теплофизических характеристик системы в их окрестности, свойств межфазных границ раздела и механизмов межфазного переноса, а также возникновение новых диссипативных структур и неравновесных фазовых переходов, определяемых характером внешних воздействий.
ИОС. llAUifji' .ЛЬНА*] БИБЛИОТЕКА , { С Петер 03
III и»»-*»
В последнее время появились работы, демонстрирующие, что наличие градиента температуры в термодинамической системе [2] или сдвигового течения у поверхности раздела [3], приводят к существенным изменениям поверхностных свойств вплоть до появления структур, подобных межфазной границе раздела при температурах выше критической. Стоит отметить, что еще в 1970-х годах было предсказано смещение точки образования мениска под действием гравитационного поля [4].
Изучению влияния неоднородностей полевых переменных, возникающих при фазовых превращениях жидкость-газ, на свойства и структуру межфазного слоя посвящена настоящая диссертация. В рамках теории капиллярности Ван-дер-Ваальса [1] становится возможным вычислить поправки к поверхностному натяжению, вызванные неоднородностями полевых переменных [5], а бурное развитие вычислительной техники сделало доступным проведение численных экспериментов методом молекулярной динамики, позволяющих производить прямое вычисление свойств не только термодинамически равновесных систем, но и изучать процессы интенсивных фазовых превращений и воздействие внешних полей на двухфазные системы. Результаты диссертации, полученные в путем комбинации этих двух подходов, позволяют использовать обнаруженные новые эффекты и полученные термодинамические выражения для решения прикладных задач по интенсификации тепловых процессов и для создания нового высокоэффективного и энергосберегающего оборудования для энергетики, холодильной и криогенной техники, прикладной сверхпроводимости, электронной промышленности, химической технологии и ряда других отраслей народного хозяйства.
Задачи работы:
-
Провести анализ изменений поверхностного натяжения в системах жидкость-газ, вызванных неоднородностью полевых переменных, на основе ван-дер-ваальсовой теории капиллярности и получить выражения для поправок первого порядка через свойства равновесной системы в отсутствие внешних воздействий;
-
Разработать методику молекулярно-динамического моделирования двухфазных систем жидкость-газ, пригодную для изучения структуры и свойств межфазного слоя в условиях фазовых превращений и воздействия внешних полей, путем модификации высокоэффективных вычислительных алгоритмов и программ [6, 7];
-
Разработать метод сопоставления результатов молекулярно-динамического моделирования с результатами термодинамических расчетов и
экспериментальными данными на основе расширенного закона соответственных состояний;
4. Используя разработанные методики, исследовать изменение свойств и структуры межфазной границы раздела жидкость-газ в условиях интенсивного испарения, конденсации и воздействия внешнего гравитационного поля.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Получены термодинамические выражения для поправок первого порядка к поверхностному натяжению, вызванных неоднородностью полевых переменных (давления и температуры) в межфазном слое. Получены формулы для расчета поправок к поверхностному натяжению для случаев интенсивного испарения при плоской поверхности раздела фаз, наличия искривленной границы радела фаз (определен параметр Толмена) и при росте пузырька в перегретой жидкости на тепловой стадии роста по данным о термодинамических свойствах жидкости на кривой насыщения;
-
Показано, что свойства модельных систем, взаимодействие частиц которых описывается модификациями потенциала Леннард-Джонса, основанными на обрезании и]или сдвиге потенциальной функции, подчиняются расширенному закону соответственных состояний и термодинамически подобны друг другу и простым жидкостям.
-
Показано, что поверхностное натяжение систем снижается при испарении и повышается при конденсации.
-
Продемонстрировано, что под воздействием сильного гравитационного поля происходит разделение сверхкритического флюида на фазы и образование межфазной поверхности при температурах выше критической.
Практическая ценность.
В работе продемонстрировано, что неоднородности полевых переменных могут оказывать существенное влияние на свойства и структуру межфазной границы раздела жидкость-газ. Искусственно создавая подобные неоднородности, можно добиться существенной интенсификации тепловых процессов в создаваемых устройствах. Разработанные термодинамический подход и методика молекулярно-динамического моделирования, полученные в ходе исследований формулы для поправок к поверхностному натяжению, сформулированный расширенный закон соответственных состояний, результаты расчетов позволяют оценивать влияние неоднородностей полевых переменных на свойства и структуру интерфазы и могут быть использованы при разработке нового высокоэффективного оборудования.
Апробация работы.
Результаты исследований были представлены на следующих научных семинарах, российских и международных конференциях: на заседаниях Ученого Совета и семинарах ИВТ РАН "Физикотехнические проблемы энергетики" под руководством чл.корр. РАН В.М. Батенина; на II и III Российских Национальных Конференциях по Теплообмену, Москва 1998, 2002 гг.; XII, XIII и XIV Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, Москва, 1999, Санкт-Петербург, 2001, Рыбинск, 2003; VI Всероссийской конференции молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Новосибирск, 2000; 11-й Международной конференции по тепломассообмену, Кёнджу, Корея, 1998; 2-м Международном симпозиуме по экспериментальным исследованиям и моделированию двухфазных потоков Пиза, Италия, 1999; 4-й Международной конференции по многофазным потокам (ICMF2001), Новый Орлеан, США, 2001; 21-й Международной конференции по статистической физике, Канкун, Мексика, 2001; 16-й Европейской конференции по теплофизическим свойствам, Лондон, Великобритания 2002; 2003 ASME International Mechanical Engineering Congress, 15-21 ноября 2003 года, Вашингтон, США.
Публикации.
Основные результаты работы были опубликованы в 15 печатных работах. Их список приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 103 страницы машинописного текста, 55 рисунков, 16 таблиц, 67 наименований использованной литературы.
