| 1 |
16 мая 2022 г.-31 декабря 2022 г. |
Влияние объемной конденсации на параметры процессов переноса на межфазных поверхностях |
| Результаты этапа: Представлены результаты прямого численного решения кинетического уравнения Больцмана для испарения-конденсации на поверхностях. Проведены расчеты для испарения воды и метанола. Расчеты были выполнены для отношений температур «горячей» и «холодной» поверхностей в диапазоне от 1.02 до 1.1. Показано, что вблизи межфазной поверхности степень пересыщения возрастает и достигает максимума примерно на границе слоя Кнудсена. Вдали от поверхности испарения пар является перегретым.
Предложен упрощенный подход, который позволяет на базе простых соотношений и классической теории нуклеаации оценить влияния процесса объемной конденсации на интенсивность испарения. Для определения возможности процесса гомогенной нуклеации предложен подход, позволяющий оценить время образования капли критического размера, а также ширину зоны конденсации. Представленная оценка дает минимальную протяженность зоны конденсации, поскольку в этом случае весь пар, “поступающий” с поверхности испарения должен конденсироваться в результате гомогенной конденсации.
В качестве дальнейшего развития предложенного упрощенного подхода выполнена оценка влияния выделяющегося в результате конденсации тепла на рассматриваемый процесс. При уменьшении плотности пара на бесконечности – интенсивность испарения возрастает, однако, выделяющееся в результате конденсации тепло приводит также влияет на интенсивность испарения. Т.о., на величину испарительного потока влияют два фактора: уменьшение плотности и увеличение температуры пара. Результаты анализа показывают, что при определенный условиях возможен как рост, так и уменьшение интенсивности испарения.
Рассмотрено влияние запыленности потока на образование и характеристики конденсационного аэрозоля. Результаты моделирования для запыленного потока продемонстрировали возможность управления процессом гомогенной конденсации выбором параметров вводимых в поток гетерогенных центров конденсации - пылинок.
Разработан и интегрирован в CFD-пакет специальный расчетный модуль для решения системы моментных уравнений, описывающих кинетику объемной конденсации пересыщенного пара.
Представлены результаты решения задачи о конденсации дозвукового и сверхзвукового потока пара, полученные как методами молекулярной динамики, так методами физической кинетики. Применение методов молекулярно-динамического моделирования показывают, формирование стационарного ударного фронта перед конденсированной поверхностью, но в тоже уравнение состояния газа Ленард-Джонса, а также его ударная волна Гюгонио заметно отличаются от соответствующих свойств идеального газа из-за возможного образования кластеров. Разработан подход к молекулярно-динамическому моделированию процесса образования кластеров в объеме пересыщенного пара, представлены результаты тестовых расчетов. |
| 2 |
1 февраля 2023 г.-31 декабря 2023 г. |
Влияние объемной конденсации на параметры процессов переноса на межфазных поверхностях |
| Результаты этапа: Представлены результаты прямого численного решения кинетического уравнения Больцмана для испарения-конденсации на поверхностях. Расчеты проводились для воды, метанола, этанола, азота и аргона для отношений температур «горячей» и «холодной» поверхностей в диапазоне от 1.02 до 1.5 при вариации температуры «холодной» поверхности. Получено, что степень пересыщения пара вблизи межфазной поверхности возрастает при снижении температуры «холодной» поверхности и увеличении отношения температур «горячей» и «холодной» поверхностей. Сделан вывод, что для каждого значения температуры «холодной» поверхности существует минимальное значение отношения температур «горячей» и «холодной» поверхностей, которое обеспечивает пересыщение, достаточное для интенсивного образования зародышей. Результаты расчета послужили основой для последующего моделирования процесса объемной конденсации.
Представлены результаты моделирования задачи о переконденсации с учетом гомогенной нуклеации, полученные с использованием модифицированной процедуры преобразования функции распределения молекул пара по скоростям. Проведенные оценки характерных времен процессов (времени образования кластера критического размера, и времени существования пара в пересыщенном состоянии в исследуемой области), позволили рассматривать задачу в два этапа: 1. Получение стационарных параметров в исследуемой области без учета процесса нуклеации, 2. Влияние частиц конденсированной фазы на параметры течения. Результаты расчетов показали, что присутствие неподвижных центров конденсации оказывает значительное влияние на течение пара в исследуемой области, при этом важным вопросом является вопрос об изменении температуры капель в результате конденсации на них молекул пара.
Представлены результаты применения метода прямого численного решения кинетического уравнения для функции распределения капель по размерам применительно к одномерным нестационарным задачам. Результаты расчетов показали, что процесс объемной конденсации уже на начальном этапе приводит к падению плотности пара и повышению его температуры вследствие выделения теплоты фазового перехода. Как следует из результатов численного моделирования, объемная конденсация может оказывать сильно влияние на параметры паровой фазы. Полученные результаты демонстрируют, что в рассмотренном случае учет объемной конденсации значительным образом меняет вид зависимостей макроскопических параметров от координаты, причем как на начальной стадии, так и при приближении к стационарному решению.
Представлены результаты использования различных программных комплексов для численного расчета процесса гомогенной нуклеации: 1. Пакета численного решения кинетического уравнения Больцмана (КУБ) совместно с программным комплексом CONDKINET-1 расчета гомогенной нуклеации; 2. Пакетов CFD с разработанным модулем для гомогенной нуклеации. Результаты расчетов позволяют сделать вывод о том, что проявлению процесса объемной конденсации пара вблизи межфазной поверхности при интенсивном испарении способствуют уменьшение температуры холодной поверхности, а также увеличение отношения температур горячей и холодной поверхностей. Для выбранной температурной области результаты расчета параметров конденсационного аэрозоля, образующегося вблизи межфазной поверхности при интенсивном испарении, показывают, что за время существования пересыщенного состояния, предсказываемого на основе решения КУБ без учета конденсации, конденсационный аэрозоль успевает сформироваться. Представлены результаты применение CFD пакета для исследования процесса с испарения с учетом объемной конденсации осуществлялось в два этапа. На первом была отработана методика формулирования граничных условий для CFD пакета, на втором решена задача об испарении с учетом объемной конденсации.
Представлены результаты применения методов молекулярно-динамического моделирования процесса гомогенной нуклеации. Разработан алгоритм определения размера и числа кластеров в пересыщенном паре. Рассмотрен процесс образования капель в объеме пересыщенного пара и в задаче о переконденсации. Приведены предварительные результаты сравнения использования методов молекулярно-динамического моделирования и кинетического уравнения для функции распределения капель по размерам совместно с кинетическим уравнением Больцмана в задаче о гомогенной нуклеации. Результаты сравнения показали качественное согласование результатов. |
| 3 |
1 февраля 2024 г.-31 декабря 2024 г. |
Влияние объемной конденсации на параметры процессов переноса на межфазных поверхностях |
| Результаты этапа: Проведена модификация процедуры трансформации функции распределения молекул по скоростям в результате взаимодействия с каплями, для возможности учета движения и изменения температуры капель. Представлены результаты расчета для задачи испарения/конденсации воды. Учет образования капель на нестационарной стадии процесса показал, что в предположении о неподвижности капель, их влияние на параметры пара практически отсутствует.
Учет изменения температуры капель осуществлялся двумя способами: Способ 1: Температура капли равна температуре пара и поэтому меняется вдоль координаты x и во времени. Способ 2: Нагрев и охлаждение капли определяется процессами конденсации и испарения пара на ее поверхности. В обеих случаях предполагается, что на поверхностях капель возможны испарение и конденсация. Расчеты показали, что учет изменения температуры капель в результате процесса испарения/конденсации существенно влияют на распределение макропараметров.
Для оценки влияния неизотермичности процесса нуклеации, система моментных уравнений была дополнена двумя уравнениями энергии для определения температуры пара и капель. Данное дополнение позволило учесть конечную скорость межфазного теплообмена между каплями и паром. Анализ данных показал, что на положение зоны конденсации во времени в большей степени влияет учет неизотрмичности нуклеации. Учет неизотермичности на стадии роста капель оказывает более слабое влияние. Параметры потока после зоны конденсации, определенные в рамках одно– и двухтемпературных моделей, имеют близкие значения.
Анализ результатов молекулярно-динамического (МД) моделирования показал, что способ получения пересыщенного состояния может оказывать значительное влияние на дальнейший процесс роста и образования кластеров. При МД моделировании, системы, имеющие одинаковые степени пересыщения, но полученные различными способами, могут содержать различное число начальных кластеров малых размеров, служащих начальными центрами зародышеобразования. Также выполнено сравнение результатов МД моделирования процесса нуклеации с результатами получеными с помощью кинетических подходов. Сравнение осуществлялось на примере задачи о релаксации пересыщенного пара к состоянию равновесия. Рассматрены различные начальные степени пересыщения. Результаты сравнения показали, что при МД моделировании наблюдается образование большого числа малых кластеров за короткий промежуток времени. При этом, в МД системе скорость прихода к равновесию существенно выше, чем предсказывает классическая теория. Данный вопрос требует дальнейшего обсуждения и исследования.
С помощью МД решена задача о переконденсации. При этом пленка жидкости помещается в центре МД ячейки, внутри жидкой пленки задается, при помощи термостата, градиент температуры. Изменяя величину градиента температуры в жидкости, получали различные, по степени интенсивности процесса, ситуации. Рассматривались расчётные МД ячейки разной длины (500, 1000 и 2000 нм) при фиксированном размере области жидкой пленки. Увеличение длины ячейки позволяло исследовать влияние расстояния между поверхностями испарения и конденсации на распределение кластеров.
Для анализа влияния интенсивности процесса на образование кластеров, в пленке жидкости задавались различные градиенты температур и, как следствие, различные температуры горячей и холодной поверхностей. При температуре горячей поверхности равной 80.4К, а холодной -- 72.3К, анализ показал, что процесс образования кластеров в области пара практически не наблюдается. Сравнение макропараметров в паре с данными молекулярно-кинетических расчетов в аналогичной постановке, подтвердили этот результат.
Для случая, когда температуры горячей и холодной поверхностей, имели значения 93 К и 55 К соответственно, анализ результатов показал, что распределение кластеров по мере перехода от горячей поверхности к холодной изменяется незначительно. При этом, вблизи холодной поверхности наблюдается небольшое увеличение максимального размера кластера, также наблюдается увеличение числа кластеров с размерами, превышающими 10 молекул, что указывает на тенденцию к образованию более крупных структур в холодных зонах. Результаты моделирования также показали, что размер МД ячейки оказывает существенное влияние на распределение и процесс формирования кластеров.
Предложен приближенный подход к численному решению кинетического уравнения Больцмана (КУБ) с учетом объемной конденсации. Изменение функции распределения молекул по скоростям в этом случае осуществляется в три этапа: свободномолекулярный разлет; пространственно однородная релаксация; изменение функции распределения в результате объемной конденсации. Результаты расчетов позволили определить минимальное значения отношения Тг/Тх при котором проявляется влияние объемной конденсации. Для воды в качестве такого минимального значения можно принять отношение 1.065. Для других рассмотренных веществ зависимости качественно не отличаются, но влияние объемной конденсации начинает проявляться при других значениях Тг/Тх: 1.27 для аргона и 1.025 для метанола.
Предложена методика задания граничных условий в CFD-пакете для моделирования процесса испарения. Результаты моделирования хорошо согласуются с результатами, полученными при решении КУБ.
При анализе нестационарного испарения было показано, что при определенных условиях вблизи поверхности испарения формируется структура течения, представляющая собой совокупность нескольких зон: неравновесная кинетическая область; область равномерного потока; контактный разрыв и область с равномерным потоком за замыкающей ударной волной. Результаты получены на базе метода совместного решения кинетического КУБ и уравнения механики сплошной среды, а также путем прямого статистического моделирования Монте-Карло. Проведен детальный анализ возникающей структуры. Предложен подход, позволяющий восстановить структуру течения при нестационарном испарении без решения КУБ. |
