Отчет ИВМ СО РАН за 2009 год

Гранты международных научных фондов

• Гранты международных научных фондов
• Научно-исследовательский проект INTAS 06–1000014–6257 «Теоретическое и прикладное исследование термодиффузии в многокомпонентных смесях»
• Стипендия Фонда Свободного Университета Брюсселя (Microgravity Research Centre, Universite Libre de Bruxelles)

Руководитель: к.ф.-м.н. И. И. Рыжков

В рамках данного проекта завершено исследование устойчивости конвективного течения многокомпонентной смеси в термогравитационной колонне. В колонне жидкость находится в длинном вертикальном слое, между боковыми стенками которого приложена разность температур. Термодиффузионное разделение смеси между боковыми стенками вместе с вертикальным конвективным потоком приводит к разделению компонентов в вертикальном направлении. Измерение этого разделения в стационарном состоянии позволяет определить коэффициенты термодиффузии. При увеличении разности температур стационарное конвективное течение в вертикальном направлении может стать неустойчивым. В рамках линейной теории проведены расчеты критических параметров неустойчивости методом Галеркина, а также методом пошагового интегрирования с ортогонализацией. Рассматривалось два типа возмущений: продольные волны, распространяющиеся в вертикальном направлении, и поперечные волны, распространяющиеся перпендикулярно плоскости, образованной градиентом температуры и вертикальной осью колонны. Впервые исследована устойчивость тройных смесей в колонне, а также проведены расчеты для бинарных смесей в широкой области параметров.

Завершено изучение устойчивости вертикального слоя многокомпонентной смеси, подогреваемой сбоку. Основное состояние является плоскопараллельным течением с линейными профилями температуры и концентраций в поперечном сечении. Концентрационная неоднородность вызвана эффектом Соре (перенос массы под действием градиента температуры). Задача об устойчивости сведена к задаче без учета эффекта перекрестной диффузии с помощью специального преобразования. Особое внимание уделено длинноволновым возмущениям. Показано, что такие возмущения вызваны взаимодействием основного течения и концентрационных волн в вертикальном направлении. В общем случае многокомпонентной смеси выделено несколько областей устойчивости в пространстве параметров. Полное параметрическое исследование для случая тройной смеси выявило сложные сценарии развития длинноволновой неустойчивости с увеличением числа Грасгофа.

Основные публикации:

1. Ryzhkov I. I., Shevtsova V. M.
   Long-wave instability of a multicomponent fluid layer with the Soret effect // Physics of Fluids. — 2009. — Vol. 21. — Is. 1, 014102.

2. Ryzhkov I. I., Shevtsova V. M.
   On the cross-diffusion and Soret effect in multicomponent mixtures // Microgravity Science and Technology. — 2009. — Vol. 21. — Is. 1-2. — P. 37-40.

(Отдел дифференциальных уравнений механики)

Руководитель: к.ф.-м.н. Ю. А. Гапоненко

В рамках научного проекта JEREMI, выполняемого во взаимодействии национальных космических агентств стран европейского союза (ESA) и Японии (JAXA), проведено исследование влияния потока газа на жидкость со свободной границей в условиях микрогравитации. В зависимости от скорости и температуры газа, набегающего на параллельную ему свободную поверхность жидкости, обнаружено четыре режима конвекции в жидкости, каждый из которых имеет свойственную ему структуру течения, и её характеристики. Выполнено исследование тепловых потоков через свободную границу для различных режимов течения. Кроме того, изучены тепловые режимы на внешних контурах экспериментальной установки в зависимости от температуры и скорости потока газа. Проведен сравнительный анализ результатов выполненного моделирования и физического эксперимента, где наблюдается качественное и количественное соответствие полученных результатов.

Исследованы течения вязкой несжимаемой жидкости в поле быстроосциллирующих сил применительно к задаче о массопереносе в замкнутом объеме жидкости. Интерес к проведенным работам обусловлен обширной программой фундаментальных и прикладных исследований в условиях микрогравитации, осуществляемых при поддержке космического агентства стран европейского союза (ESA). В условиях пониженной гравитации быстроосциллирующие силовые поля могут быть использованы как эффективный инструмент интенсификации тепло- и массопереноса в случаях неоднородного распределения плотности в жидкости.

В ходе выполненных исследований методами численного моделирования изучена задача о смешивании бинарной смеси в прямоугольной области при условиях пониженной гравитации в быстроменяющемся внешнем горизонтальном силовом поле. Рассмотрено начальное состояние системы с наличием узкой поверхности раздела двух компонентов смеси, что соответствует условию устойчивого равновесия. Основное направление исследований в 2009 году связано с выявлением зависимости структуры и характеристик течения от геометрических характеристик исследуемого объёма жидкости. Обнаружено, что при увеличении длины расчетной области в направлении, параллельном наложенным вибрациям, поверхность раздела между компонентами смеси теряет свою устойчивость, что приводит к её существенной деформации и интенсивному локальному смешиванию компонентов в окрестности наиболее деформированного интерфейса. Полученные результаты моделирования подтверждены экспериментально в ходе 50-й компании параболических полетов, организованных европейским (ESA) и французским (CNES) космическими агентствами, где рассматривалось влияние микрогравитации на вибрационную конвекцию в бинарной смеси.