Критический теплоперенос и экстремальные флуктуации при неравновесных фазовых переходах в энерго- и теплоносителях по проекту УрО РАН: 15-1-2-7

Цель: установление закономерностей возникновения и устойчивости экстремальных пульсаций в критических режимах теплопереноса с фазовыми переходами; оптимизация нового метода получения гидратов компонентов природного газа низкотемпературной конденсацией пара из сверхзвуковых молекулярных пучков. Проведено экспериментальное исследование экстремальных температурных пульсаций при переходе от пузырькового к пленочному режиму кипения воды на платиновом проволочном нагревателе при периодическом тепловыделении в условиях закрутки теплоносителя. При низких частотах периодической составляющей тока (менее 0,1 Гц) наблюдалась перемежаемость режимов пузырькового и пленочного кипения. Амплитуда температурных пульсаций при этом возрастала. Результаты интерпретируются как стохастический резонансный отклик системы, когда периодическая составляющая пульсаций возрастает в присутствии шума. В теоретическом исследовании нелинейных эффектов в кризисных режимах тепломассопереноса проведено численное исследование системы двух нелинейных стохастических уравнений, моделирующей экстремальные пульсации в кризисных и переходных процессах с фазовыми превращениями с учетом пространственного взаимодействия флуктуаций. Показано формирование экстремальных флуктуаций во времени и в пространстве с низкочастотной расходимостью спектров мощности. Показано, что при увеличении интенсивности аддитивного белого шума в системе возникает индуцированная шумом синхронизация, представляющая собой неравновесный фазовый переход. Критической точке индуцированного шумом перехода соответствуют максимум энтропии и экстремальные пульсации со спектром мощности обратно пропорциональным частоте. Совместное действие шума и периодической силы на взаимодействующие фазовые переходы в кризисных режимах тепломассопереноса показало стохастический резонансный отклик, когда амплитуда периодических пульсаций многократно возрастает при добавлении шумового сигнала. В пространственно распределенной системе на фоне образования и движения волн под воздействием белого шума при внешнем периодическом возмущении можно наблюдать пространственно-временной стохастический резонанс. В области пространственно-временного стохастического резонансе наблюдаются увеличение амплитуды и расширение границ области периодических пульсаций под влиянием белого шума. Определены мощности периодических пульсаций в зависимости от интенсивности внешнего шума при пространственно временном стохастическом резонансе. Рассчитана спектральная энтропия случайных процессов. Спектральная энтропии дает возможность исследовать устойчивость случайных процессов непосредственно по спектрам мощности, не прибегая к вычислению функций амплитудных распределений. В отличие от статистической энтропии Гиббса – Шеннона, спектральная энтропия вблизи критического состояния имеет минимум. Положение минимума спектральной энтропии соответствуют критическому состоянию системы, при котором спектры флуктуирующих величин обратно пропорциональны частоте. Проведен энтропийный анализ устойчивости случайных процессов со спектром. Определены значения показателя, при которых процесс более устойчив. Исследованы два класса систем. Проведены исследования динамики вскипания закрученных потоков перегретых жидкостей при истечении из камеры высокого давления. Предварительная продольная закрутка потока в камере осуществлялась вращающимся лопаточным завихрителем с двумя лопастями. Скорость вращения завихрителя в опытах устанавливалась в 350 и 900 об/мин. Начальные параметры (температура и давление) в рабочей камере изменялись как вдоль линии насыщения, так и по изобаре 4 МПа. Опыты показали, что эволюция формы струи в зависимости от начальной температуры при закрутке в 350 об/мин не претерпела никаких изменений по сравнению с незакрученной струей, а при скорости вращения 900 об/мин переход от конической формы струи к полному раскрытию струи происходил при более высокой температуре (на 30К), чем для незакрученной струи. Экспериментально установлено, что в переходных режимах в поведении формы струи – переход от конической формы струи к полному раскрытию и обратно - спектр мощности пульсаций угла раскрытия струи изменялся обратно пропорционально частоте в области низких частот (1/f флуктуации). Проведено экспериментальное исследование устойчивости гидрата пропана, сформированного в низкотемпературных слоях газонасыщенного аморфного льда, полученного низкотемпературной конденсацией пара из сверхзвуковых молекулярных пучков. Кристаллизация аморфных слоев льда, насыщенного пропаном, в условиях сильной метастабильности приводит к образованию газового гидрата. Искусственно внесенные в неравновесные конденсаты кристаллики воды обеспечивали условия для возникновения «горячих» центров и переход к взрывному режиму кристаллизации в аморфной среде.