Построение иерархии моделей испарительной конвекции на основе точных решений

Проект направлен на решение важной научной проблемы теории конвекции – разработку иерархии математических моделей испарительной конвекции, позволяющей установить пределы применимости возможных обобщений и постановок возникающих начально-краевых задач для описания тепломассобмена в жидкостных системах в условиях фазового перехода диффузионного типа. Для этого предполагается использовать точные решения уравнений Навье – Стокса и их приближений, включая решения групповой природы. На основе точных решений будут изучены физические механизмы испарительной конвекции и закономерности поведения жидкостей в условиях фазовых переходов жидкость – пар, индуцированных ламинарным потоком газа и/или приложенной распределенной тепловой нагрузкой. Верификация теоретических результатов будет проводится с помощью сравнения данных, полученных на основе точных решений, с данными экспериментов, планируемых к проведению в рамках настоящего проекта. Планируется решение ряда новых задач механики жидкости и газа и теплофизики, возникающих при разработке высокоэффективных мини- и микро- двухфазных систем термического контроля. Проблема создания энергоэффективных технологий связана с глобальным трендом миниатюризации устройств в различных областях инженерной науки и техники, включая космическую и smart-индустрию, микроэлектронику, биотехнологии, и требует поиска средств управления режимами течений рабочих сред в двухфазных системах и контроля характеристик теплоотвода. Это объясняет необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований различных характеристик, включая характеристики устойчивости, конвективных течений в многофазных/многокомпонентных системах и особенностей процессов испарения и конденсации при воздействии спутных потоков газа и внешней тепловой нагрузки. Полученные экспериментальные данные обеспечат эмпирическую базу для развития новых теоретических подходов для описания динамики систем и их верификации. Анализ результатов теоретических исследований, посвященных проблеме управления режимами испарительной конвекции, позволит достичь более глубокого понимания фундаментальных аспектов физических явлений и механизмов тепломассопереноса и получить качественную информацию о закономерностях функционирования двухфазных систем. Последнее обеспечит возможность создания иерархии моделей испарительной конвекции и определения условий их применимости в пространстве параметров задачи. Глобальной целью исследований является научное обоснование методов реализации процессов тепло- и массопереноса в жидкостных системах, подверженных внешней тепловой нагрузке в условиях фазовых переходов. Основными задачами проекта являются определение характера и степени влияния различных факторов на параметры и структуру режимов испарительной конвекции в двухслойных системах жидкость-газ и интенсивность испарения, выявление физических механизмов, обуславливающих закономерности и различия в поведении жидких теплоносителей при фазовых переходах под действием спутных потоков газа и приложенной извне тепловой нагрузки, изучение характеристик устойчивости конвективных режимов, возникающих в двухфазных системах с испарением, и влияния указанных факторов и внешних управляющих воздействий на характер возможных неустойчивостей. Качественные исследования будут проводится в рамках моделей конвекции, построенных на основе законов сохранения, с использованием новых точных решений, имеющих групповое происхождение, гарантирующее сохранение свойств симметрии пространства-времени и движущейся в этом пространстве жидкости. Для решения трёхмерных задач, включая задачи о пространственной неустойчивости, будут использованы вычислительные алгоритмы, реализованные в форме авторских кодов. Результаты позволят определить механизмы, приводящие к потере устойчивости, найти способы подавления наиболее опасных возмущений, получить критические характеристики устойчивости в пространстве параметров задачи и построить карты неустойчивости. Эксперименты, проводимые в рамках заявленного проекта, позволят получить зависимости температуры на поверхности жидкого слоя, массовой скорости и локального расхода испарения от параметров задачи, а также распределения концентрации пара вблизи межфазной границы при различных условиях. На основе сравнения экспериментальных и аналитических/численных результатов будут сформулированы условия применимости моделей испарительной конвекции и построенных точных решений для описания реальных физических двухфазных систем. Заявленные комплексные исследования могут оказать принципиальное влияние на развитие и изучение математических моделей для описания тепломассопереноса в условиях внешней тепловой нагрузки и фазовых переходов. В перспективе полученные результаты предлагаемых междисциплинарных исследований могут быть использованы для модификаций жидкостных технологий термического контроля и при проведении инженерных расчётов с целью оптимизации экспериментальных конструкций систем термостабилизации и повышения их эффективных характеристик.