Построение иерархии моделей испарительной конвекции на основе точных решений

В рамках буссинесковых двусторонних моделей проведены теоретические исследования течений жидкости, испаряющейся под действием спутного газового потока, нацеленные на определение условий применимости подхода, связанного с использованием решений групповой природы определяющих уравнений. Верификация моделей и точных решений проведена на основе сравнительного анализа теоретических и экспериментальных данных. С помощью точных решений уравнений термоконцентрационной конвекции проведён анализ характеристик конвективных режимов, возникающих при различных условиях. Выделены содержательные корректные постановки краевых задач, комбинации граничных условий и замыкающих соотношений, обеспечивающие качественное и количественное совпадение расчётных и экспериментальных данных. Исследовано влияние физических свойств рабочей жидкости, интенсивности гравитационных, термодиффузионных и тепловых эффектов, геометрии системы, скорости прокачки газа на структуру течений, скорость испарения и динамические характеристики. Доказана возможность моделировать течения в случае неоднородного испарения и исследовать зависимость скорости испарения от параметров системы и интенсивности управляющих воздействий. На основе топологического принципа выделены различные по гидродинамической структуре режимы. В двумерном случае получено расширение классификации Наполитано. Введён дополнительный принцип классификации по структуре температурного поля и описаны термически различные классы течений. Одновременное использование указанных принципов позволяет однозначно установить доминирующий механизм или несколько конкурирующих механизмов, определяющих структуру возникающих конвективных режимов. Описаны закономерности изменений характеристик течений, обусловленных изменениями параметров системы и граничных режимов. Построенные точные решения на качественном уровне подтверждают все экспериментально обнаруженные тенденции, касающиеся изменений скорости испарений и касательных напряжений на межфазной поверхности под влиянием вариации режимных параметров экспериментов и свойств рабочей жидкости. Определены условия применимости точных решений для описания процессов конвективного тепломассообмена в условиях испарения диффузионного типа: в двумерном случае получены явные оценки длины рабочего участка протяжённого канала, на которой решения дают адекватное описание изучаемых процессов, установлены диапазоны изменений граничных температурных градиентов и скоростей прокачки газа, обеспечивающие качественное и количественное соответствие расчётных и экспериментальных данных. Преимуществом трёхмерных решений явилась возможность количественно определить касательные напряжения на поверхности раздела со стороны обеих сред в обоих касательных направлениях. Введён параметр, являющийся формальным критерием, позволяющим различать режимы с сильным и слабым испарением. Исследована линейная устойчивость двумерных решений, описывающих течения с постоянной скоростью испарения во всём пространстве параметров задачи. Получены пороговые характеристики устойчивости, изучена их зависимость от параметров системы и граничного теплового режима. Для всех рассмотренных конфигураций установлен колебательный характер неустойчивости и стабилизирующее влияние деформируемости межфазной поверхности. Определены главные моды, построены карты режимов неустойчивости. Для некоторых конфигураций исследована устойчивость течений относительно конечно-амплитудных возмущений. Описаны закономерности возникновения вторичных режимов в форме валиковой конвекции с различной топологией упорядоченных вихревых структур в зависимости от скорости газа и толщины жидкого слоя. Построена иерархия моделей испарительной конвекции, требующая дальнейших уточнений в случаях нестационарных течений, использования обобщённых граничных условий на поверхности раздела фаз и/или замкнутых областей. Для проведения экспериментов был спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд, реализующий возможности контроля массового расхода газа, поддержания постоянного уровня испаряющейся жидкости, измерения потока парогазовой смеси, изменения высоты жидкого и газового слоёв и протяжённости поверхности, с которой происходит испарение жидкости в газовый поток, визуализации межфазной поверхности. Для контроля формы межфазной границы и измерения её температуры создана комбинированная оптическая система Шлирен–ИК камера, позволяющая вести запись термограмм. Получены экспериментальные зависимости скорости испарения от толщин жидкого и газового слоёв, скорости прокачки газа и рабочей температуры в системах этанол–воздух и/или HFE7100–воздух и концентрации жидкого раствора, в случае, когда рабочая жидкость является бинарной смесью. В результате обработки термограмм определены поверхностные градиенты температуры и продольные термокапиллярные и сдвиговые напряжения. Предложен способ модификации методики расчёта касательных напряжений и обеспечения дополнительных измерений поля скоростей вблизи поверхности раздела.