Исследование гидро-газодинамических процессов и тепло-массообмена в условиях переменной гравитацииНИР

Investigation of hydro-gas-dynamic processes and heat-mass transfer under variable gravity conditions

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 10 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Исследование гидро-газодинамических процессов и тепло-массообмена в условиях переменной гравитации
Результаты этапа: В рамках экспериментов было исследовано распространение пламени по образцам материала SIBAL размером 94х41 см и 29х5 см. SIBAL - это композитная хлопчатобумажная ткань c добавлением стекловолокна. Образцы находились в прямоугольных каналах (воздуховодах) различной высоты: 109х46х51 см или 109х46х30.5 см. Скорость принудительного потока окружающего воздуха составляла в различных сериях экспериментов 20 см/с или 25 см/с. Пламя распространялось по потоку. Видеофиксация экспериментов проходила как с помощью обычных цветных камер, так и камер, использующих зеленую светодиодную подсветку. Полученные видеоданные демонстрируют сильную кривизну и неоднородность пламени, что указывает на трехмерность образовавшегося пламени. Из чего можно сделать вывод, что численное моделирование представленного процесса требует трехмерного подхода. Неоднородный характер пламени, наблюдаемый в эксперименте, свидетельствует о наличии в пламени твердых продуктов пиролиза, а также является следствием неоднородной структуры самого материала SIBAL и спиралеобразной формы воспламенителя. Пламя в первые несколько секунд от начала зажигания начинает распространяется не только по потоку, но и против потока, пиролизируя материал, находящийся перед местом воспламенения. Далее пламя стабилизируется, продолжая гореть в спутном потоке. Но локальные возмущения, вызванные наличием спиралеобразной формы воспламенителя и неоднородностью структуры самого материала SIBAL, остаются до окончания процесса. На несгоревшей ткани видны следы сажи, образовавшиеся во время воспламенения. Несгоревший хлопок, оставшийся в матрице из стекловолокна, продолжает тлеть в виде ярких пятен уже после того, как пламя прошло. При распространении пламени по материалу SIBAL в спутном потоке длина пламени и длина области пиролиза совпадают. Максимальная длина пламени (и длина области пиролиза) достигается в первые 40 с от начала воспламенения, а затем происходит ее плавное уменьшение. Прежде чем пламя достигнет конца образца материала длина пламени на некоторое время стабилизируется (примерно через 100 с от начала воспламенения). Сравнение характера распространения пламени по материалу SIBAL в спутном потоке для образцов разной длины показало, что у образцов размером 94х41 см наблюдалось сильное локальное увеличение длины пламени (и длины области пиролиза), в то время как у образцов размером 29х5 см данный эффект не отмечался. Такое различие можно объяснить термогравитационными эффектами, отсутствие которых в невесомости не позволяет полноценно развиться пламени на образцах меньшей длины. Кроме того, пламя, распространяясь над образцами меньшей длины, имеет боковое тепловое расширение и боковую диффузию кислорода, что позволяет достигать стабилизации процесса и установления длины пламени без сильного локального увеличения этой длины. Длина пламени для образцов большей длины достигает максимума примерно через 40 с. Проведена обработка данных телеметрии эксперимента по горению образца материала РММА (полиметилметакрилат) с различным рельефом поверхности при различной скорости обдувания потоком окружающего воздуха. Исследованы видеозаписи, записанные в процессе эксперимента, и показания термопар на поверхности образца. Рассмотрены эксперименты по течению жидкости в пористой среде в условиях микрогравитации. Показано, что при пропитке уже смоченной пористой среды жидкость поднимается на большую высоту, чем при впитывании в сухую среду. • Разработаны коэффициенты, показывающие, что порядки величины для конвективных и нестационарных членов в уравнениях импульса значительно меньше, чем порядки для других членов в уравнении для конкретной исследуемой задачи. • Рассмотрена математическая модель с учетом гистерезиса, когда режим пропитывания несколько раз сменяется режимом дренажа. На основе предложенной модели проведено численное моделирование процесса течения жидкости через пористую среду. Рассмотрены результаты экспериментов по многократной пропитке в четырех различных пористых средах. Во всех опытах впитывание более интенсивное в уже смоченной среде. Эксперименты показали, что капиллярное впитывание происходит намного медленнее в случае перетекания жидкости в более проницаемую среду из менее проницаемой среды из-за соотношение капиллярных сил и сил сопротивления. • На основе экспериментальных данных были разработаны эмпирические константы в математической модели. Проведено сравнение результатов численного моделирования и экспериментальных данных. Было показано, что результаты численного моделирования хорошо согласуются с экспериментальными результатами.
2 9 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Исследование гидро-газодинамических процессов и тепло-массообмена в условиях переменной гравитации. Этап 2
Результаты этапа: Данные о параллельном распространении пламени для термически обугливающихся твердых топлив представлены Saffire и BASS эксперименты, проведенные на обитаемых космических аппаратах для трех размеров воздуховодов, пяти размеров образцов, двух материалов и двух различных составов атмосферы отсека. На скорость распространения пламени и его длину сильно влиял размер воздуховода даже для относительно больших воздуховодов (> 30 см в высоту). Временное превышение длины зоны пиролиза (т.е. превышение длины пламени) наблюдалось при согревании хлопчатобумажной ткани, что указывает на кратковременный избыточный пиролиз. Явление удлинения зоны вызвано не только перемещением пламени в глубь формирующегося пограничного слоя, как это было в случае с образцом SIBAL, но и избыточным пиролизом. Время выгорания, определяемое как продолжительность пиролиза, деленная на скорость распространения пламени, нормализовало историю продолжительности пиролиза в единую кривую с постоянным временем выгорания 22 с для ткани SIBAL. Предполагается, что временная избыточная продолжительность пиролиза является переходным процессом роста пламени после воспламенения для по существу двумерных пламен, где время выгорания становится очень долгим, пока не увеличатся продолжительность предварительного нагрева и пиролиза. Трехмерные языки пламени над узкими образцами имеют боковое тепловое расширение и боковую диффузию кислорода, что позволяет им переходить к стационарной длине без кратковременного превышения продолжительности пиролиза. Профили температуры поверхности, не привязанные к длине пиролиза, указывают на то, что профили температуры имеют одинаковую форму по всей зоне пиролиза. Расчет баланса поверхностной энергии в области предварительного нагрева показал что тепловой поток быстро увеличивался на фронте пиролиза, приближаясь к критическому тепловому потоку для воспламенения. Оценка ускорения потока невязкой сердцевины в канале из-за теплового расширения и образования пограничных слоев на стенках канала и поверхности образца SIBAL, по-видимому, объясняет наблюдаемые тенденции изменения скорости распространения пламени для трех характерных размеров канала и нескольких размеров образцов. Также исследован процесс многократной пропитки пористой среды за счет капиллярных сил в условиях микрогравитации. Подобные исследования имеют большое значения как для космических технологий, так и для земных приложений. Например, на космической станции течение жидкости за счет капиллярных эффектов можно наблюдать в тепловых трубках, очистных системах, в гидропонных системах для выращивания растений. В условиях земной гравитации капиллярные эффекты могут также оказывать существенное влияние на фильтрационные течения, например при добыче углеводородов, когда происходит одновременное течение нескольких флюидов сквозь порисую среду. Наблюдение капиллярных эффектов при обычной гравитации затруднено, так как действие силы тяжести преобладает над капиллярными силами, маскируя некоторые важные аспекты. Рассматриваются эксперименты по течению жидкости сквозь высокопроницаемую пористую среду во время параболических полетов. Результаты экспериментов показали, что с каждой последующей параболой жидкость поднимается выше, т.е. наблюдается более интенсивная пропитка в уже смоченной среде. Для моделирования таких процессов требуются специальные математические модели, учитывающие гистерезис. Описаны математические модели и представлены результаты численного моделирования на их основе. Приведено сравнение экспериментальных данных и результатов численного моделирования фильтрационных потоков жидкости, показана возможность определения неизвестных эмпирических констант на экспериментальном базисе.
3 8 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Исследование гидро-газодинамических процессов и тепло-массообмена в условиях переменной гравитации. Этап 3.
Результаты этапа: Исследование многофазных течений в условиях микрогравитации представляет интерес как для задач освоения Космоса так и для земных технологий и приложений. На космических станциях многофазные течения флюидов в тонких каналах наблюдаются в гидропонных системах выращивания растений, тепловых трубках для терморегуляции, подача топлива и любой другой жидкости из резервуара в условиях отсутствия гравитации возможна только за счёт капиллярной силы по тонкому каналу. Кроме того, капиллярная пропитка пористой среды может наблюдаться в перспективных камерах сгорания для двигательных установок: стенка камеры сгорания состоит из пористого материала через который производится дополнительная подач топлива и охлаждение стенки за счёт его испарения При наблюдении за движением жидкости на Земле многие эффекты оказываются «замаскированы» силой тяжести (но всё равно присутствуют), в условиях же микрогравитации их можно наблюдать в чистом виде, что позволит детальнее рассмотреть эти эффекты (например капиллярная пропитка [1-4]) и лучше понять процессы происходящие при земной гравитации. Например, при нефтедобыче наблюдается одновременное просачивание нескольких жидкостей сквозь пористую среду [5,6], при этом существенное влияние на процесс могут оказывать именно капиллярные эффекты, которые гораздо продуктивней исследовать в условиях микрогравитации. В работах [14,15] описаны эксперименты по просачиванию жидкости в пористую среду сотоящую из относительно крупных частиц (насыпка стеклянных бусин) и соответственно формирующих достаточно крупные поры и каналы для капиллярного течения жидкости. Течение в такой среде легко визуализируется (рис.1), можно наблюдать за происходящим внутри экспериментальной установки и анализировать процесс течения. В условиях земной такая капиллярная пропитка возможна только в очень мелких порах, но такое течение сложно визуализировать. Дело в том, что соотношение движущих капиллярных сил и сил гравитации характеризуется безразмерным параметром подобия - числом Бонда. Таким образом, мы можем увеличить размер пор, уменьшив при этом уровень гравитации, таким образом, что безразмерный параметр Bo останется неизменным и процессы будут подобны. Другой вид экспериментов во время параболических полётов – течение в ячейке Хеле-Шоу [16]. Ячейка Хеле-Шоу представляет собой две параллельные стеклянные пластины, между которыми наблюдается течение жидкости. Существует также множество работ по течению жидкости в ячейке Хеле-Шоу в условиях нормальной гравитации [17-20]. Двухфазные течения в каналах с шероховатыми стенками рассмотрены в работе [21]. Работы [22,23] посвящены влиянию гармонического изменения расхода жидкости на стабильность границы раздела. В работе [24] рассматривается как реологические свойства поверхности раздела фаз влияют на стабильность. В работе [16] рассматривается течение в ячейке Хеле-Шоу во время параболических полётов. Представлен пример результатов экспериментов. Фронт вытеснения неустойчив: изначально плоская граница раздела искривляется, «вязкие пальцы» вытесняющей (менее вязкой) жидкости прорываются сквозь слой вытесняемой (более вязкой). Это явление называется неустойчивостью Саффмана-Тейлора и возникает при вытеснении вязкой жидкости посредством менее вязкой [25]. Безразмерный критерий Vg=μu/(ρgδ^2 )=Fr/Re равный отношению сил вязкости и силы тяжести характеризует течение в ячейке Хеле-Шоу. Чтобы наблюдать аналогичные процессы при различных уровнях гравитации необходимо менять зазор ячейки δ (расстояние между пластинами) таким образом, чтобы критерий Vg сохранял своё значение. Таким образом ячейка Хеле-Шоу позволяет имитировать микрогравитационные течения в лаборатории на Земле. Эксперименты в условиях земной гравитации проводились в радиальной ячейке Хеле-Шоу. Жидкости были слабо смешивающимися: подкрашенный глицерин и вода. В случае вытеснения воды глицерином вытеснение устойчиво, граница раздела сохраняла форму круга. В случае, когда глицерин вытеснялся водой наблюдалось развитие неустойчивости Саффмана-Тейлора. В случае, когда зазор ячейки маленький в эксперименте фронт движется быстрее, чем было предсказано теорией, в случае, если зазор увеличивается теоретическая скорость фронт больше, чем в эксперименте(рис.7). Аналогичный результат был получен для несмешивающихся жидкостей. Расхождение теоретических и экспериментальных данных можно объяснить тем, что уравнения модели Хеле-Шоу получаются осреднением уравнений Навье-Стокса по зазору ячейки для стационарного течения одной жидкости. В рассматриваемой задаче течение нестационарное, а также многофазное. Этим можно объяснить расхождение экспериментальных данных и аналитического решения. В данной работе предлагается модифицировать модель Хеле-Шоу добавлением коэффициента сопротивления α, который зависит от некоторой безразмерной конфигурации различных параметров задачи. То, что этот коэффициент зависит от величины зазора ячейки было показано. Также он может зависеть от перепада давления, динамической вязкости жидкости и других параметров. В рамках данного исследования будет рассматривать зависимость коэффициента α от отношения размера зазора ячейки ко внутреннему радиусу ячейки. Для случая устойчивого вытеснения добавление коррекционного множителя значительно улучшает соответветствие экспериментальных данных и предсказанного на основе модифицированной математической модели движения границы раздела жидкостей. Список литературы. 1) Smirnova M.N., Nikitin V.F., Skryleva E.I., Weisman Yu. G., Capillary driven fluid flows in microgravity, Acta Astronautica, 2022, v. 204, pp. 892-900, DOI: 10.1016/j.actaastro.2022.10.037 2) V.F. Nikitin, E.I. Skryleva, Yu G. Weisman, Control of capillary driven fluid flows for safe operation of spacecraft fluid supply systems using artificial porous media, Acta Astronautica, 2022, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.12.009. v. 194, pp. 544-548 3) Nikitin V.F., Skryleva E.I., Manakhova A.N., Accounting for the instability of a liquid flow front through a porous medium under conditions of low gravity and in the presence of chemical interactions between the phases, Acta Astronautica, 2023, v.213, pp. 197-203, DOI: 10.1016/j.actaastro.2023.09.015 4) Skryleva E.I., Nikitin V.F., Dushin V.R., Microgravity investigation of seepage flows in porous media, First IAA/AAS SciTech Forum on SPACE FLIGHT MECHANICS AND SPACE STRUCTURES AND MATERIALS, Advances in the Astronautical Sciences Series, 2020, v 170, pp. 729-739 5) Skryleva E.I., Numerical simulation of multiphase flow in a porous medium in the presence of heat and mass transfer between phases, Heat Transfer Research, 2022, v. 54, № 2, pp. 1-10, DOI:10.1615/HeatTransRes.2022044787 6) Smirnov N.N., Nikitin V.F., Kolenkina E.I., Gazizova D.R., Evolution of a Phase Interface in the Displacement of Viscous Fluids from a Porous Medium, Fluid Dynamics, 2021, v. 56, № 1, pp. 79-92 DOI: 10.1134/S0015462821010122 7) P.J. Canfield, P.M. Bronowicki, Y. Chen, L. Kiewidt, A. Grah, J. Klatte, R. Jenson, W. Blackmore, M.M. Weislogel, M.E. Dreyer, The capillary channel flow experiments on the international space station: experiment set-up and first results, Exp. Fluid, 2013, 54.1519, 1–14. 8) P. Bronowicki, P. Canfield, A. Grah, M.E. Dreyer, Free surfaces in open capillary channels - parallel plates, Phys. Fluids, 2015, v.27, №1, DOI: 10.1063/1.4906154 9) Kamal S. Bisht, Michael E. Dreyer, Phase separation in porous media integrated capillary channels, Microgravity Sci. Technol., 2020, v.32, pp. 1001–1018. 10) S. Mahmood Mousavi, JikLee Bok, Investigation of bubble structure in a microchannel under microgravity conditions: effects of discontinuous wettability with dynamic contact angle, 201, Acta Astronautica,2022, 394–400. 11) Xuan Li, Kevin Worrall, Aditya Vedanthu, Andrew Scott-George, Patrick Harkness, The pulse-elevator: a pump for granular materials, Acta Astronautica,2022, pp.33–41 12) Smirnov, N.N., Pushkin, V.N., Dushin, V.R., Kulchitsky, A.V. Microgravity investigation of laminar flame propagation in monodisperse gas-droplet mixtures Acta Astronautica, 2007, v.61 (7-8), pp. 626-636. 13) Obinna Uyanna, Hamidreza Najafi, Thermal protection systems for space vehicles: a review on technology development, current challenges and future prospects, Acta Astronautica, 2020, v.176 pp. 341–356 14) Smirnov, N.N., Legros, J.C., Nikitin, V.F., Istasse, E., Schramm, L., Wassmuth, F., Hart, D.A. Filtration in artificial porous media and natural sands under microgravity conditions Microgravity Science and Technology, 2003, v.14 (2), pp. 3-28. 15) Dushin V.R., Smirnov N.N., Nikitin V.F., Skryleva E.I., Weisman Y.G., Multiple capillary-driven imbibition of a porous medium under microgravity conditions: Experimental investigation and mathematical modeling, Acta Astronautica, 2022, v.193, pp. 572-578 16) Smirnov N.N., Nikitin V.F., Ivashnyov O.E., Maximenko A., Thiercelin M. Vedernikov A., Scheid B., Legros J.C. Microgravity Investigations of Instability and Mixing Flux in Frontal Displacement of Fluids, Microgravity Science and Technology, 2004, v.15(2), pp.35-51 17) O.A. Logvinov, E.I. Skryleva, Displacement of a viscous fluid from a Hele-Shaw cell with a sink, Moscow Univ. Mech. Bull.,2016, v.71 (4), pp. 77–81 DOI: https://doi.org/ 10.3103/S0027133016040014. 18) Meiburg, E.. Homsy, G.M. Nonlinear unstable viscous fingers in Hele-Shaw flows. II. Numerical simulation, Phys. Fluids,1988, v.31(3) 19) Guan X., Pitchumani R. Viscous fingering in a Hele-Shaw cell with finite viscosity ratio and interfacial tension, ASME Journal of Fluids Engineering , 2003, v. 125, №2, pp. 354-364 20) Luciano dos Reis, Jos'e A. Miranda, Controlling fingering instabilities in nonflat Hele-Shaw geometriesб PHYSICAL REVIEW, 2011, E 84 –– 066313 21) A.A. Alturki • B. B. Maini • I. D., Gates The effect of wall roughness on two-phase flow in a rough-walled Hele-Shaw cell, J Petrol Explor Prod Technol (2014) 4:397–426 22) Ivan E Karpunin et al 2021 J. Phys.: Conf. Ser. 1809 012020 23) Majid Ahmadlouydarab, Mohammad Kangari, Naser Asadzadeh et al. Effects of transient injection-suction on interfacial dynamics in immiscible Newtonian fluid-fluid radial displacement in Hele-Shaw cell, 2022, PREPRINT (Version 1) available at Research Square https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-1730992/v1 24) Írio Coutinho, José A Miranda, Role of interfacial rheology on fingering instabilities in lifting Hele-Shaw flows, 2023, PHYSICAL REVIEW E 108, 025104 25) Saffman, P.G., Taylor, G.J. The penetration of a fluid into a porous medium of Hele-Shaw cell containing a more viscous fluid, Proc. R. Foc. Zond., 1958, A 245,312

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".