Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Северо-Кавказский федеральный университет»
Целью данного исследования является изучение процесса возникновения конвекции при различных режимах нагрева, а также зависимость развития конвективных течений в магнитной жидкости при воздействии магнитного поля, приложенного перпендикулярно тепловому потоку.
Экспериментальная установка представляла собой прямоугольную кювету, выполненную из оргстекла, нижняя и верхняя границы кюветы представляют из себя алюминиевые пластины. Передняя часть кюветы была сделана из пластиковой пленки, прозрачной для ИК диапазона. После чего кювета помещалась в электромагнит, нижняя пластина нагревалась при помощи керамических резисторов, а также теплоизолировалась, верхняя же пластина термостатировалась, на нее были укреплены массивные радиаторы, которые обдувались при помощи вентилятора. Все измерения записывались на тепловизор FLIR E40.
В данной работе экспериментально исследовалось явление термомагнитной конвекции в плоском квазидвумерном прямоугольном слое магнитной наножидкости, подогреваемого снизу. Внешнее магнитное поле было ориентированно перпендикулярно тепловому потоку, а плоскость слоя магнитной жидкости лежала вдоль линий магнитной индукции поля. Был исследован характер теплопереноса в магнитной жидкости на основе керосина в зависимости от величины магнитного поля, а также при различных режимах нагрева. Кроме того, исследовался магнитный коллоид, дисперсионной средой которого является вода.
Было показано, что критическое число Рэлея, при котором возникает неустойчивость горизонтального граничного слоя, зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Причем, при ориентации внешнего магнитного поля перпендикулярно тепловому потоку критическое число Рэлея возрастает.
Характер конвективных течений: сверху слева – естественная конвекция жидкости на основе керосина, слева снизу – термомагнитная конвекция жидкости на основе керосина, сверху справа – естественная конвекция жидкости на основе воды, справа снизу – термомагнитная конвекция жидкости на основе воды.
Экспериментально обнаружено, что теплообмен за счет процесса тепловой конвекции в поперечном тепловому потоку магнитном поле уменьшается, а течение тепловых потоков стабилизируется по сравнению с естественной конвекцией и происходит уширение ячеек Бенара для магнитной жидкости на основе керосина.
Исследован теплообмен магнитной жидкости на воде в магнитном поле различной величины. Установлено, что магнитное поле также подавляет процесс тепловой конвекции, при малых значениях магнитного поля конвективные ячейки увеличиваются в ширине, а при больших значениях поля конвекция вовсе не возникает, и теплоперенос идет за счет теплопроводности.
Андрей Владимирович Чернышов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН
Исследование формирования циркуляционных вихревых ячеек для улучшения тепло-массообменных процессов в биологических и энергетических технологиях является важнейшим практическим приложением в разработке вихревых аппаратов и оптимизации рабочих режимов. Одним из таких аппаратов является вихревой биореактор [1].
В данной работе выполнено экспериментальное исследование распределения скорости при организации вихревого движения на эксплуатационных режимах работы в промышленном стеклянном биореакторе объемом 10 литров с диаметром реакторной емкости D=190 мм. Вихревое движение воздуха генерируется активатором с частотой вращения Ω до 2700 об/мин. В качестве модельной среды использовался 65% водный раствор глицерина (ρ = 1150 кг/м3, ν = 15 мм2/с). Для наблюдения картины вихревого движения применялись методы цифровой трассерной визуализации (PIV) и адаптивной трековой визуализации.
В ходе экспериментальной работы исследовалась конфигурация газо-вихревого биореактора с шайбой, плавающей на поверхности модельной жидкости. Соотношение частот вращения активатора и плавающей шайбы Ω/ω составляло ≈ 200. В такой конфигурации газовый вихрь закручивает плавающую шайбу, которая в свою очередь приводит в движение рабочую жидкость. Получено, что наличие плавающей шайбы обеспечивает интенсификацию перемешивания жидкости за счёт высокой скорости вращения шайбы.
Показано, что при вращении активатора под шайбой возникают ячейки центробежной циркуляции, которые при увеличении частоты вращения активатора расширяются в глубь реактора. На рисунке представлены поля скорости в жидкости. Для удобства на рис. 1(б) приведены половины скалярных полей скорости в жидкости, где левый край изображения соответствует оси реакторной емкости, а правый край – периферии. Установлено, что наблюдаемая вихревая структура и ее динамика при увеличении закрутки потока совпадает со структурой замкнутого вихревого потока в цилиндрическом контейнере как для одножидкостных, так и двухжидкостных системах [2, 3].
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 19-19-00083
1.Savelyeva A. V. et al. Analysis of the efficiency of recombinant Escherichia coli strain cultivation in a gas‐vortex bioreactor // Biotechnology and Applied Biochemistry, 2017, Vol. 64(5), P. 712-718.
2.Шарифуллин Б.Р., Наумов И.В. Передача углового момента через границу раздела двух несмешиваемых жидкостей // Теплофизика и аэромеханика, 2021, Т. 28, № 1, C. 67-78
3.Naumov I.V., Sharifullin B.R., Tsoy M.A., Shtern V.N. Dual vortex breakdown in a two-fluid confined flow // Physics of Fluids. 2020. Vol. 32(6). P.061706.
Булат Руфкатович Шарифуллин
Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского
Исследование оптимальных режимов движения по воде на колесах, геометрических параметров грунтозацепов и теоретическое моделирование коэффициентов подъемной и пропульсивной сил представляет большой научный и практический интерес с точки з и формы колес с грунтозацепами. В настоящей работе спроектированы и созданы экспериментальные установки, позволяющие исследовать режимы движения по воде на колесах. В зависимости от числа Фруда и безразмерной глубины погружения колеса образуется не менее трех основных режимов движения по воде на колесах: гребной, когда колесо медленно вращается в жидкости, практически не создавая подъемную силу; ударно-гребной – когда грунтозацепы отталкивают воду при частичном погружении колеса с грунтозацепами в воду и экранный – когда колесо полностью выходит из воды, нагнетая окружающий воздух в нижнюю часть колеса так, что грунтозацепы не касаются поверхности воды.С помощью разработанной установки показано, что для заданной глубины погружения (величина которой не превышает диаметр) при превышении угловой скорости вращения колеса некого критического значения аппарат выходит на режим вогнутого экрана, который сопровождается снижением волн и исчезновению брызг и потерей горизонтальной составляющей тяги. Получены аналитические и численные оценки зависимости удельной подъемной и пропульсивной сил от безразмерной угловой скорости вращения колес с грунтозацепами, показаны условия образования между колесом и поверхностью жидкости изогнутого воздушного экрана.
Иван Алексеевич Амелюшкин
1. Механико-математический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова. 2. Объединенный институт высоких температур РАН
Рассматривается влияние атмосферного электрического поля (АЭП) под грозовым облаком на подъем каскада (струи брызг или пыли) с подстилающей поверхности воды или суши вблизи воронки смерча. Каскад часто формируется задолго до касания воронки с подстилающей поверхностью – этот факт не удавалось теоретически обосновать без учета электрических явлений. В статье [1] отмечается, что большие градиенты квадрата напряженности АЭП под грозовым облаком способствуют появлению радиальной электрической силы, которая обеспечивает сбор микрокапель с подстилающей поверхности под центр облака. Кроме того, достаточно высокая концентрация микрокапель воды с тонким поверхностным двойным электрическим слоем (ДЭС) вблизи водной поверхности может приводить к эффекту гигантской диэлектрической проницаемости [2], что, в свою очередь, способствует падению электрогидродинамического давления и подъему капель.
В данном докладе исследуется возможность электрокапиллярного дрейфа водяных капель с ДЭС в сильных электрических полях под торцом воронки. Путем решения модифицированной задачи В.Г. Левича о дрейфе проводящих капель с учетом силы тяжести получено, что в зависимости от размера капли и напряженности АЭП капля поднимается вверх, падает на подстилающую поверхность или левитирует (зависает) на фиксированной высоте. При этом высота каскада, по оценкам очевидцев, может достигает 25 – 30 м и более, в то время как без участия электрических сил столб воды может подняться на высоту не более 10 м. Поэтому в ходе исследование процесса формирования каскада важно учитывать электрические факторы, в том числе электрокапиллярный дрейф микрокапель с подстилающей водной поверхности.
1.Натяганов В.Л., Маслов С.А. Ломоносов и загадки природного электричества. Часть 4. Электромагнитные механизмы формирования торнадоподобного смерча // Вестн. Моск. ун-та. Матем. Механ. 2014. №2. С. 32 – 38.
2.Маслов С.А., Натяганов В.Л. Роль эффекта гигантской диэлектрической проницаемости в процессе формирования торнадо //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2019. Т. 20. №2. doi 10.33257/PhChGD.20.2.828.
Сергей Алексеевич Маслов
