Теоретическое и экспериментальное исследование неравновесных фазовых превращений в газожидкостных системах

Сформулирована математическая модель роста газового пузырька в высоковязкой пересыщенной в результате быстрой декомпрессии жидкости, учитывающая как динамические, так и диффузионные эффекты и включающая в себя известные классические уравнения - уравнение импульсов и уравнение диффузии, записываемые с учетом десорбции газа на межфазной границе, вызванной общим пересыщением жидкости. В качестве модельной жидкости рассматривался риолитовый магматический расплав. Разработанная модель применима для описания роста пузырька при декомпрессии с конечной скоростью. Найдено приближенное полуаналитическое решение задачи, построение которого основано на существовании квазистационарного состояния для процесса роста пузырька в переменных, в которых граница пузырька в процессе неподвижна. Это позволило свести исходную краевую задачу с подвижной границей к обыкновенному дифференциальному уравнению на размер пузырька. Полученное полуаналитическое решение справедливо в широком диапазоне достигаемых пересыщений и на всех стадиях процесса, включая переходную, в том числе для изменяющихся внешних условий, учет которой крайне необходим в случае высоковязких жидкостей. Получено, что длительность переходной стадии существенно зависит от скорости декомпрессии, так как на определенной стадии процесса превалирующими могут являться различные факторы, влияющие на процесс. Показано, что на больших временах решение становится точным автомодельным, а рост пузырька определяется исключительно диффузией. Сформулирована псевдоодномерная неизотермическая модель десорбции/абсорбции газа на пузырьке в неподвижном пересыщенном/ненасыщенном растворе. Модель строится на классических уравнениях гидродинамики и тепломассообмена с учетом специфики, связанной с фазовым переходом на межфазной поверхности. Диффузионная задача в предложенной модели решается совместно с тепловой. Эти задачи сопряжены на границе пузырька путем задания соответствующих граничных условий, отражающих условие локального термодинамического равновесия и интенсивность тепло- и массообменных процессов с учетом фазового превращения. Приведены оценки тех или иных факторов, влияющих на рассматриваемый процесс. Найдено новое автомодельное решение задачи о десорбционном росте газового пузырька в пересыщенной жидкости Показано, что неучет неизотермичности в ряде случаев может привести к существенной ошибке. Проведены первичные эксперименты по исследованию процесса абсорбции при всплытии одиночных пузырьков двуокиси углерода в дистиллированной воде. Получена информация о скорости движения пузырька, его траектории, скорости изменения его объема в случае, когда отрывной диаметр пузырька составлял 1,45 мм. Примечательно, что в исследованном диапазоне режимных параметров процесса диаметр пузырька изменяется линейно по времени Экспериментально исследован одиночный акт вскипания недогретой до температуры насыщения жидкости (в качестве модельной жидкости был выбран физраствор) при воздействии на нее непрерывного лазерного излучения, передающегося в рабочий объем по тонкому оптоволокну. Показано, что по прошествии определенного времени после включения лазера и достижения жидкостью необходимого перегрева вблизи торца оптоволокна образуется паровой пузырек. В процессе своей эволюции он претерпевает стадию быстрого роста, за счет накопленного в жидкости тепла, и стадию не менее быстрого схлопывания, обусловленного общим недогревом жидкости. Выявлено, что увеличение мощности излучения с 3 до 10 Вт приводит к несущественному уменьшению максимального размера пузырька - не более чем на ~15%. Показано, что при тех же условиях (мощности излучения, диаметре оптоволокна, начальной температуре жидкости) максимальный размер пузырька в физрастворе значительно меньше (до 40%), чем в чистой воде. Исследовано влияние начальной температуры жидкости на рассматриваемый процесс в диапазоне от 20 до 40 oС. Показано, что это влияние также не столь значительно. Показано, что схлопывание пузырька приводит к образованию кумулятивной струи жидкости, распространяющейся по нормали от торца оптоволокна. Пронзая породивший ее пузырек, эта струя становится затопленной. Дальнейший коллапс пузырька приводит к практически полному исчезновению паровой фазы. Все это сопровождается достаточно сильными пульсациями давления в среде. Выявлена взаимосвязь скорости распространения струи, которая составляет порядка десяти метров в секунду, размера первичного пузырька и мощности излучения. Изучено влияние формы наконечника оптоволокна на характер исследуемого процесса (наконечник оптоволокна был скошен или закруглен). Продемонстрировано, что отклонение от идеальной цилиндрической формы приводит к тому, что генерируемая струя обладает меньшей скоростью и неконтролируемой направленностью, что критично для практических приложений. Выполнено численное моделирование динамики парового пузырька, образующегося вблизи торца оптоволокна в результате поглощения водой энергии лазерного излучения. Численная модель основана на применении Level-set подхода к описанию движения двух фаз (воды и пара) и положения границы раздела. В качестве замыкающих соотношений использовались экспериментальные данные. Выявлено негативное влияние гидрофобности поверхности оптоволокна на импульс формирующейся кумулятивной струи. Важнейшим выводом исследования является определяющее влияние геометрических характеристик оптоволокна на формирование кумулятивной струи по сравнению с влиянием мощности лазерного излучения и начального недогрева жидкости. Построены нестационарные модели динамики парового пузырька на теплоотдающей стенке в условиях быстрого роста температуры. Реализованы два подхода на основе методов Level-set и Phase-field, учитывающие существенную неравномерность распределения теплофизических свойств, локальные фазовые переходы с выделением или поглощением тепла, механическое взаимодействие фаз, а также влияние поля температур на направление и интенсивность фазовых переходов. Начало роста паровой фазы определялось достижением температуры Tonb, несколько превышающей температуру насыщения. Паровая фаза занимала область полусферы в центре поверхности нагревателя. Результаты валидации моделей на экспериментальных данных о нестационарном вскипании недогретой жидкости показали, что метод Level-set является более предпочтительным для задач с высоким требованием к точности определения положения межфазной границы. Реализована численная модель пузырькового кипения с вариабельностью геометрических характеристик выступов на теплоотдающей поверхности. При исследовании процесса гидратообразования на пене интересный результат дала замена карбомера на пектин (при идентичных условиях эксперимента). Показано, что нуклеация зародыша гидрата инициировалась при несколько большем переохлаждении. При этом скорость роста гидратной пленки и гидратных иголок сохранилась и составила ≈1 мм/с, но значительно увеличилась длина иголок - до 1,5-2 раз, проникающих в объем жидкой фазы. Исследован «эффект памяти» на растворах с первоначально заявленным составом и с пектином через повторный цикл «образование — разложение» гидрата. Так, вторичное гидратообразование на первоначально заявленном растворе начиналось при температуре 2,5oC и давлении 13МПа. Иголки получаются короче и толще (чем при использовании карбомера), больше напоминают вытянутую каплю. При этом часть ячеек пены схлопывается и образуются гидратные хлопья. При проведении еще одного цикла «образование - разложение» гидратная масса получается не структурированной, полностью состоит из хлопьев. Раствор с пектином при вторичном гидратообразовании при 13oC и 13МПа дает более хаотично направленные и витиеватые иголки, сохраняя принцип роста из пузырька. При выдерживании раствора с иголками на старение на иголках начинают расти кристаллы гидрата перпендикулярно поверхности иголки, в отличие от кристаллов, растущих на стенках лейкосапфиров для первоначального раствора.