Распространение тепла в поверхностном слое жидкости и диагностика неизотермических течений на основе измерений полей температуры

Диссертация посвящена исследованию конвективных течений, возникающих в приповерхностном слое жидкости при локальном нагреве, а также методам ассимиляции данных, позволяющим по измеренному экспериментальному полю температуры найти распределения остальных гидродинамических величин. Таким образом, температурная неоднородность рассматривается и как причина движения жидкости, и как источник информации о течении. Рассмотрены течения, вызванные линейным источником тепла, расположенным на поверхности жидкости, и локальным нагревом поверхности инфракрасным лазером. Для разных граничных условий на поверхности жидкости, соответствующих термокапиллярной конвекции и ее блокировке пленкой поверхностно-активных веществ, построены автомодельные решения, которые позволили оценить максимальную скорость жидкости, толщину пограничного слоя и число Нуссельта. Показано, что скорость конвективного течения, интенсивность теплоотвода и характер деформации свободной поверхности существенно различны для жидкостей с поверхностной пленкой, блокирующей термокапиллярную конвекцию, и при ее отсутствии. В экспериментах использовались методы ИК-термографии, цифровой трассерной визуализации и метод moon-glade BOS. Сравнение экспериментальных измерений для различных жидкостей с построенными автомодельными решениями и численным моделированием подтвердило точность полученных результатов. Были предложены два метода ассимиляции данных для турбулентных течений с использованием полей температуры, полученных теневым фоновым методом. Первый способ подразумевает подстановку предварительно сглаженных экспериментальных данных в уравнения гидродинамики с последующим численным решением. Во втором методе применяется физически-информированная нейросеть, не требующая сглаживания исходных данных. Оба метода позволяют восстановить поля скорости, давления, турбулентной вязкости и турбулентной теплопроводности для квазистационарного турбулентного течения без применения сложного и дорогостоящего экспериментального оборудования. Эффективность предложенных методов продемонстрирована на примере свободной и импактной турбулентной струи горячего воздуха из круглого сопла.