Исследование влияния неоднородностей полевых переменных при фазовых превращениях на свойства межфазной границы раздела жидкость-газ

Дуников, Дмитрий Олегович

Исследование влияния неоднородностей полевых переменных при фазовых превращениях на свойства межфазной границы раздела жидкость-газ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Дуников, Дмитрий Олегович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование влияния неоднородностей полевых переменных при фазовых превращениях на свойства межфазной границы раздела жидкость-газ»

Автореферат диссертации на тему "Исследование влияния неоднородностей полевых переменных при фазовых превращениях на свойства межфазной границы раздела жидкость-газ"

На правах рукописи

Дуников Дмитрий Олегович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ПОЛЕВЫХ ПЕРЕМЕННЫХ ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ НА СВОЙСТВА ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ЖИДКОСТЬ-ГАЗ

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

-4.1, V-

Москва - 2004

Работа выполнена в Институте высоких температур РАН

Официальные оппоненты:

Научный руководитель:

Ведущая организация:

к.ф.-м.н.

Малышенко Станислав Петрович д.ф.-м.н.

Жуховицкий Дмитрий Игоревич

Д.Т.Н.

Крюков Алексей Павлович Институт теплофизики УрО РАН

Защита состоится «_»

Диссертационного совета

2004 г. в

при

ч.

мин. на заседании

по адресу:_

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью организации, просьба направлять по указанному адресу в двух экземплярах не позднее, чем за две недели до защиты.

Автореферат разослан «_»_2004 г.

д.ф.-м.н.

Ученый секретарь Диссертационного совета

2005-4 13381

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В современной технике широко используются фазовые превращения жидкость-газ. В то же время свойства и структура межфазного слоя, определяющего характер процессов фазовых превращений, изучены слабо. Это связано с малыми размерами переходной области между жидкостью и газом, толщина которой в нормальных условиях не превышает нескольких молекулярных диаметров. Традиционно при решении задач тепломассообмена используется классический подход Гиббса [1], рассматривающий интерфазу как разделяющую поверхность нулевой толщины, которой приписаны все поверхностые свойства. Применение этого весьма упрощенного метода описания межфазного слоя является плодотворным и во многих случаях оправдано. Однако подход Гиббса становится неадекватен в тех случаях, когда поверхностное натяжение в системе жидкость-газ начинает отличаться от своего значения для системы в состоянии насыщения при плоской границе раздела. Ярким примером этому служит зависимость поверхностного натяжения от кривизны поверхности. Если соотношение для поправки получено Толменом еще в середине XX века, то значение входящего в нее параметра Толмена не может быть вычислено в рамках термодинамического подхода Гиббса, и оживленная дискуссия о способах его определения ведется до сих пор.

Изменение кривизны поверхности раздела между жидкостью и паром -не единственный способ повлиять на свойства интерфазы. Воздействие внешних полей, интенсивные фазовые превращения вполне могут привести к изменению поверхностного натяжения. Влияние этих факторов приводит к появлению неоднородностей полевых переменных в межфазном слое. Если характерный масштаб подобной неоднородности становится соизмеримым с толщиной межфазного слоя, то его свойства должны измениться.

В результате воздействия неоднородностей полевых переменных на межфазную границу раздела жидкость-газ возможно проявление таких эффектов, как изменение границ термодинамической устойчивости системы, параметров фазового равновесия и асимптотических законов для тегоюфизических характеристик системы в их окрестности, свойств межфазных границ раздела и механизмов межфазного переноса, а также возникновение новых диссипативных структур и неравновесных фазовых переходов, определяемых характером внешних воздействий.

В последнее время появились работы, демонстрирующие, что наличие градиента температуры в термодинамической системе [2] или сдвигового течения у поверхности раздела [3], приводят к существенным изменениям поверхностных свойств вплоть до появления структур, подобных межфазной границе раздела при температурах выше критической. Стоит отметить, что еще в 1970-х годах было предсказано смещение точки образования мениска под действием гравитационного поля [4].

Изучению влияния неоднородностей полевых переменных, возникающих при фазовых превращениях жидкость-газ, на свойства и структуру межфазного слоя посвящена настоящая диссертация. В рамках теории капиллярности Ван-дер-Ваальса [1] становится возможным вычислить поправки к поверхностному натяжению, вызванные неоднородностями полевых переменных [5], а бурное развитие вычислительной техники сделало доступным проведение численных экспериментов методом молекулярной динамики, позволяющих производить прямое вычисление свойств не только термодинамически равновесных систем, но и изучать процессы интенсивных фазовых превращений и воздействие внешних полей на двухфазные системы. Результаты диссертации, полученные в путем комбинации этих двух подходов, позволяют использовать обнаруженные новые эффекты и полученные термодинамические выражения для решения прикладных задач по интенсификации тепловых процессов и для создания нового высокоэффективного и энергосберегающего оборудования для энергетики, холодильной и криогенной техники, прикладной сверхпроводимости, электронной промышленности, химической технологии и ряда других отраслей народного хозяйства.

Задачи работы:

1. Провести анализ изменений поверхностного натяжения в системах жидкость-газ, вызванных неоднородностью полевых переменных, на основе ван-дер-ваальсовой теории капиллярности и получить выражения для поправок первого порядка через свойства равновесной системы в отсутствие внешних воздействий;

2. Разработать методику молекулярно-динамического моделирования двухфазных систем жидкость-газ, пригодную для изучения структуры и свойств межфазного слоя в условиях фазовых превращений и воздействия внешних полей, путем модификации высокоэффективных вычислительных алгоритмов и программ [6, 7];

3. Разработать метод сопоставления результатов молекулярно-динамического моделирования с результатами термодинамических расчетов и

экспериментальными данными на основе расширенного закона соответственных состояний;

4. Используя разработанные методики, исследовать изменение свойств и структуры межфазной границы раздела жидкость-газ в условиях интенсивного испарения, конденсации и воздействия внешнего гравитационного поля.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Получены термодинамические выражения для поправок первого порядка к поверхностному натяжению, вызванных неоднородностью полевых переменных (давления и температуры) в межфазном слое. Получены формулы для расчета поправок к поверхностному натяжению для случаев интенсивного испарения при плоской поверхности раздела фаз, наличия искривленной границы радела фаз (определен параметр Толмена) и при росте пузырька в перегретой жидкости на тепловой стадии роста по данным о термодинамических свойствах жидкости на кривой насыщения;

2. Показано, что свойства модельных систем, взаимодействие частиц которых описывается модификациями потенциала Леннард-Джонса, основанными на обрезании и]или сдвиге потенциальной функции, подчиняются расширенному закону соответственных состояний и термодинамически подобны друг другу и простым жидкостям.

3. Показано, что поверхностное натяжение систем снижается при испарении и повышается при конденсации.

4. Продемонстрировано, что под воздействием сильного гравитационного поля происходит разделение сверхкритического флюида на фазы и образование межфазной поверхности при температурах выше критической.

Практическая ценность.

В работе продемонстрировано, что неоднородности полевых переменных могут оказывать существенное влияние на свойства и структуру межфазной границы раздела жидкость-газ. Искусственно создавая подобные неоднородности, можно добиться существенной интенсификации тепловых процессов в создаваемых устройствах. Разработанные термодинамический подход и методика молекулярно-динамического моделирования, полученные в ходе исследований формулы для поправок к поверхностному натяжению, сформулированный расширенный закон соответственных состояний, результаты расчетов позволяют оценивать влияние неоднородностей полевых переменных на свойства и структуру интерфазы и могут быть использованы при разработке нового высокоэффективного оборудования.

Апробация работы.

Результаты исследований были представлены на следующих научных семинарах, российских и международных конференциях: на заседаниях Ученого Совета и семинарах ИВТ РАН "Физикотехнические проблемы энергетики" под руководством чл.корр. РАН В.М. Батенина; на II и III Российских Национальных Конференциях по Теплообмену, Москва 1998, 2002 гг.; XII, XIII и XIV Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, Москва, 1999, Санкт-Петербург, 2001, Рыбинск, 2003; VI Всероссийской конференции молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Новосибирск, 2000; 11-й Международной конференции по тепломассообмену, Кёнджу, Корея, 1998; 2-м Международном симпозиуме по экспериментальным исследованиям и моделированию двухфазных потоков Пиза, Италия, 1999; 4-й Международной конференции по многофазным потокам (ICMF2001), Новый Орлеан, США, 2001; 21-й Международной конференции по статистической физике, Канкун, Мексика, 2001; 16-й Европейской конференции по теплофизическим свойствам, Лондон, Великобритания 2002; 2003 ASME International Mechanical Engineering Congress, 15-21 ноября 2003 года, Вашингтон, США.

Публикации.

Основные результаты работы были опубликованы в 15 печатных работах. Их список приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 103 страницы машинописного текста, 55 рисунков, 16 таблиц, 67 наименований использованной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту, и описана структура диссертации.

В первой главе изложен термодинамический подход к исследованию воздействия неоднородностей полевых переменных на свойства межфазной границы жидкость-газ. В рамках теории капиллярности Ван-дер-Ваальса получено обобщенное выражение для поправки первого порядка к поверхностному натяжению системы, находящейся под воздействием неоднородных полей температуры и давления.

Поверхностное натяжение можно определить как:

где р{г) - распределение плотности в межфазном в зависимости от нормальной к поверхности координаты г, Ь - толщина межфазного слоя, т[р(г),Т] зависящий от плотности и температуры параметр, определяемый в рамках статистической физики. Таким образом, всякое воздействие, например, неоднородность полей температуры и давления, приводящее к изменению профиля плотности в интерфазе, приведет также и к изменению поверхностного натяжения. Схематически это изображено на рис. I. Изменение давления на величину АР = Р(-Р, (что может быть вызвано, например, искривлением границы раздела фаз) приводит к изменению плотности жидкости на др! и, соответственно, к изменению толщины межфазного слоя. При этом изменением свойств газовой фазы можно пренебречь в силу условия р, » р%.

Воспользовавшись предположением, что толщина межфазного слоя пропорциональна радиусу корреляций флуктуаций плотности в объемной жидкой фазе на границе межфазного слоя гс' [5], можно записать соотношение для изменения поверхностного натяжения:

(1)

где Кт=рл (8р/8Р)т - изотермическая сжимаемость.

Рис. 1 Схематическое изображение граничных условий на поверхности раздела жидкость-газ

В результате для двухфазной системы, в которой неоднородности полей температуры и давления привели к появлению внутри межфазного слоя скачков температуры и давления АР = Рц- Р„ АТ = 7> - Т„ получаем следующее соотношение для поправки к поверхностному натяжению:

Все производные вычисляются для жидкости, находящейся в равновесии с паром, при температуре, соответствующей температуре разделяющей поверхности. Определив для конкретных случаев значения скачков температуры ДТ и давления АР в межфазном слое, можно рассчитать поправки к поверхностному

Ъ- = 1 + -^[(1 - В(Т))АР - (1 + С(Г)) С(Г)АТ],

(3)

где /„ = уКт', и функции температуры, имеющие вид:

(4)

натяжению с использованием данных о свойствах жидкости на кривой насыщения.

В работе были получены формулы для поправок к поверхностному натяжению, возникающих при искривлении границы раздела фаз (размерный эффект):

^ = ¿ = (5)

При интенсивном испарении с плоской границы раздела жидкость-газ:

= д-= --(6)

у я ЪЬ[\ + С{Т)}С(Т)11

где д = АД771 - тепловой поток с поверхности жидкости.

При росте пузырька, находящегося на тепловой стадии роста:

у \Ja

з г - - ■>

—0 + с?(П)

K'tj

т,(Р)С(Т)

(7)

где H/g - теплота парообразования, 1Т -(уСр ipi)l(C{T)Higpg). Эта поправка справедлива для высоких значений числа Якоба Ja и низких давлений.

Анализ полученных соотношений показывает, что интенсивное испарение приводит к снижению поверхностного натяжения. В то же время этот эффект наблюдается только при высоких тепловых потоках (порядка десятков МВт/м2 для воды в диапазоне до 10 МПа), таким образом, в обычных условиях нет необходимости учитывать этот эффект. При высоких тепловых потоках, близких к характеристическому тепловому потоку q* (6), поверхностное натяжение будет стремительно снижаться и будет наблюдаться эффект исчезновения межфазной границы - двухфазная система достигнет термодинамического предела существования. Эффект сильного снижения поверхностного натяжения способствует развитию паровых зародышей в перегретой жидкости, снижая работу зародышеобразования.

Во второй главе описывается модификация классического метода МД для моделирования двухфазных сред.

-15 -10 -5 0 5 10 150.8 0/4 0.0

Рис. 2. Общий вид равновесной системы из 12 ООО частиц при температуре Т=0.9. Представлены два последовательных слоя толщиной в 0.8. Для сравнения справа изображен профиль плотности, представлены границы интерфазы и эквимолярная поверхность

Математическая модель системы представляет собой N частиц, помещенных в параллелепипед L^ х L^ * Lz (МД-ячейка, рис. 2). В нашем случае поверхность жидкости формировалась перпендикулярно к оси z. В численных экспериментах использовалось 12 000 и более частиц. Взаимодействие частиц описывалось обрезанной и сдвинутой потенциальной функцией Леннард-Джонса:

ФЛ')

U *[(<T/r)u-(a/r)6]-^, 0 <rSre

1 0, Г>Г«г

(8)

Все величины были обезразмерены с помощью параметров потенциала в и а, значения которых для аргона составляют а =0.3405 нм, е = 119.8 К [9]. Зна-

чения радиуса обрезания составляли гсш = 2.5; 3.5; 5.5, а также для гси,= 2.5 была использована сплайн-модификация [8], позволяющая гладко устремлять как энергию, так и силу к нулю в точке обрезания.

На боковых гранях ячейки использовались периодические граничные условия, у торцевых граней в глубине жидких слоев использовались контролирующие температуру термостаты, которые представлявшие собой случайную Ланжевенову силу, действующую на частицу, попавшую в зону действия термостата.

Метод молекулярной динамики заключается в интегрировании уравнений движения частиц, составляющих систему. Для интегрирования уравнения был использован явный метод Штермера 8-ого порядка (называемый также экстра-поляционным методом Адамса) [7] с величиной шага интегрирования й = 1/32, что позволяло достигать достаточной точности вычисления траекторий частиц при повышенной скорости вычислений.

На первоначальном этапе моделирования создавалась система, содержащая необходимое количество частиц, после путем масштабирования скоростей и изменения температур термостатов и последующим уравновешиванием достигалось состояние равновесия или стационарного процесса. Весь процесс достижения стационарного состояния занимал от 10 до 100 тысяч шагов интегрирования уравнений движения на одну систему.

Чтобы получить зависимость среднего значения физической величины / от координаты 2, МД ячейка разбивалась на слои (толщина которых составляла дг = 15/128), в пределах которых Дг) можно считать почти постоянной по оси 2 и не испытывающей дрейфа во времени вследствие стационарности системы. На протяжении МД расчета суммировались мгновенные значения величины / которая является функцией координат и скоростей частиц, в случае попадания их в слой г, (г - <52/2, г+Ы2). Затем эта сумма делилась на общее число частиц замеченных в слое. Таким образом:

Были вычислены свойства систем, такие как плотность, температура, давление, поверхностное натяжение, двухчастичная функция распределения. Дяй различных систем время накопления статистики составляло от 200 до 1000 тысяч шагов интегрирования уравнений движения (т.е. примерно 2-10 не в пересчете на свойства аргона).

(9)

0.6 0.4

0.2 0.0

Рис. 3. Поверхностное натяжение для систем с различными радиусами обрезания Сплошная линия - аргон, ромбы - ф„, гси, =2 5; квадраты - фф /■„,=2.5; кресты- гси, =3.5; треугольники - ф,г, гш1 =5 5

В третьей главе представлены результаты вычисления свойств в состоянии термодинамического равновесия для четырех модификаций потенциала Леннард-Джонса. Свойства систем существенно изменяются при изменении радиуса обрезания (рис. 3). Использование аналитических поправок не позволяет добиться удовлетворительного согласия результатов моделирования для различных систем.

Исследована выполнимость расширенного закона соответственных состояний для модельных систем, в качестве обезразмеривающих параметров взяты параметры критической точки вещества:

Таблица 1

Критические параметры для Л-Дж систем в сравнении с аргоном

Система Тс «с Рс

Фт Г cut =2.5 1.085 ± 0.005 0.317 ± 0.003 0.097 ± 0.008

ф!р1, гсш =2.5 1.107 ± 0.002 0.317 ± 0.003 0.105 ± 0.005

Фт г cut =3.5 1.213 ± 0.002 0.315 ± 0.003 0.110 ± 0.005

Фtr, rcut =5.5 1.292 ± 0.002 0.312 ± 0.003 0.125 ± 0.005

Полный потенциал, ф 1.35 ± 0.005 0.310 ± 0.005 0.126 ± 0.008

аргон 1.259 0.318 0.117

0.6 0.8 1.0 1.2

Рис. 4. Безразмерное поверхностное натяжение для различных систем в сравнении с аргоном. Обозначения те же, что и на рис. 3

й Р - Г

Р = —. / = —-—

Рс »1'Х

С с с

которые были определены для каждой из изученных систем (табл. 1). В результате удалось добиться хорошего согласия результатов численных экспериментов друг с другом и со свойствами реальных веществ (рис. 4). Определены границы применимости термодинамического подобия, показано, что для радиусов обрезания гсШ > 3.5 отклонение составляет менее 5 %, что ниже, чем обычный уровень вычислительной ошибки в численных экспериментах. Вычислены параметры критической точки для системы, описываемой немодифицированным потенциалом Леннард-Джонса (табл. 1).

Представлены результаты вычисления двухчастичных функции распределения, изучена структура межфазного слоя жидкость-газ. Обнаружено наличие дальнодействующих корреляций флуктуаций плотности в межфазном слое и подтверждена расходимость толщины плоского межфазного слоя в отсутствие внешних сил (гравитационных, например), связанная с тем, что дальнодействие флуктуаций зависит только от размеров системы (рис. 5).

В четвертой главе описано моделирование фазовых переходов в системе жидкость-газ методом молекулярной динамики, а также изучен вопрос о возможности диссипации или возникновения межфазной границы раздела при температурах отличающихся от критических.

Яс

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Рис. 5. Сравнение характерных длин корреляций флуктуаций плотности в межфазном слое для систем с различной площадью поверхности

Представлены результаты моделирования испарения в вакуум и процесса переконденсации, осуществлявшейся в системе с двумя жидкими слоями, находящимися при разных температурах. Определены свойства систем, вычислено поверхностное натяжение. Продемонстрировано, что неоднородности полей температуры и давления, возникающие при интенсивных фазовых превращениях, приводят к изменению свойств межфазного слоя. На рис. 6 представлено сравнение двух систем - неравновесной при испарении в вакуум при температуре термостата Г=1.05 и равновесной при Т- 0.952. В виду того, что температура поверхности жидкости для неравновесной системы близка к температуре равновесной системы, их свойства достаточно близки. В результате становятся легко заметны различия, появление которых связано с сильной неоднородно- '

стью температурного поля, вызванной интенсивным испарением. Тепловой поток, который в пересчете на аргон достигает значения д = 270 МВт/м2, вызывает заметный градиент плотности в жидкой фазе. Профиль плотности в межфазном •

слое тоже претерпевает изменения: он теряет симметрию, свойственную равновесному состоянию, эквимолярная поверхность смещается с сторону жидкости. При конденсации также наблюдается изменение свойств интерфазы.

Установлено, что интенсивное испарение приводит к снижению поверхностного натяжения, а конденсация - к его увеличению. Произведено сравнение с результатами расчетов поправок к поверхностному натяжению на основе термодинамической теории:

Рис. 6. Сравнение равновесной системы при Т =0.952 (точки) с испарением в вакуум при температуре термостата Г =1.05 (сплошные линии), представлены профили плотности л, температуры Т, нормальной Тг и тангенциальной Тх ки-, нетических температур при испарении в вакуум, а также разницы между про-

филями плотности при испарении и равновесии дп

где знак "+"относится к конденсации, а "—и относится к испарению. Обнаружено хорошее согласие (рис. 7 и 8).

Рис 7. Снижение поверхностного натяжения при испарении по сравнению с равновесием. Круги - результаты молекулярнодинамического моделирования, для каждой точки указано название системы, состоящее из температур горячего и холодного термостата, ромбы - расчет поправки по (11), шрифтом с подчеркиванием указано название системы. Во врезке: сплошная линия - изменение поверхностного натяжения при испарении в вакуум

Ау, % 30

О1-«-1-'-1-2—1-

0.10 0.20 0.30 1_7уТ

Рис. 8. Повышение поверхностного натяжения при конденсации по сравнению с равновесием. Круги - результаты молекулярно-динамического моделирования, ромбы - расчет поправки по (11), для каждой точки указано название системы, состоящее из температур горячего и холодного термостата

1.1/0.9^

1.1/0.95

1.1/0.9 • О

1.1/0.95^ 1.1/0.85 • 1.1/0.75

* •

1.1/0.8 •

• 0.9/0.75 £ф10/075

Рис. 9. Профили плотности Т = 1.13(1 = 0 021) для разных значений гравитационной постоянной. По мере роста плотности в нижней части ячейки' = 0, 5хЮ"5,10~4,5х1(Г\1.5х1(Г3

На основании результатов моделирования испарения в вакуум вычислен коэффициент испарения, который определялся как отношение реального потока молекул с поверхности жидкости к потоку, рассчитанному по формуле Герца. Показано, что для простых жидкостей коэффициент испарения равен а=0.8±0.05. В то же время обнаружено, что наличие градиента температуры в межфазном слое приводит к неоднозначности вычисления коэффициента испарения в макроскопичеком подходе, связанной с необходимостью правильного выбора разделяющей поверхности. В связи с этим вполне возможно, что по мере удаления от тройной точки коэффициент испарения будет снижаться с ростом температуры.

Изучены эффекты исчезновения и возникновения межфазной границы раздела жидкость-газ при температурах отличающихся от критической. Снижение поверхностного натяжения при испарении может привести к исчезновению поверхностного натяжения, что дает термодинамический предел существования границы раздела жидкость-пар при интенсивном испарении. Изучено влияние сильного гравитационного поля на свойства сверхкритического леннард-джонсового флюида. В системах, находящихся при температуре выше критической наблюдалось разделение на жидкую и газообразную фазы (рис.9 и 10) с образованием межфазной границы. Вычислены свойства систем, изучена структура интерфазы.

Ад

Рис. 10. Зависимость поверхностного натяжения от гравитационной константы для нескольких температур: г = Т/Тс - 1 = 0.0072 (треугольники), / = 0.021

(кресты), г = 0.039 (круги)

В заключении сформулированы основные итоги работы.

ВЫВОДЫ

Основные результаты диссертационной работы можно обобщить в виде следующих выводов:

1. Получены общие термодинамические выражения для поправок первого порядка к поверхностному натяжению, вызванных неоднородностью полевых переменных (давления и температуры)в межфазном слое, определенные через свойства равновесных фаз при отсутствии неоднородностей температуры и давления.

2. Получены формулы для расчета поправок к поверхностному натяжению для случаев интенсивного испарения при плоской поверхности раздела фаз, наличия искривленной границы радела фаз (определен параметр Толмена) и при росте пузырька в перегретой жидкости на тепловой стадии роста. В рамках термодинамического подхода показано, что интенсивное испарение приводит к снижению поверхностного натяжения.

3. Усовершенствована методика молекулярно-динамического моделирования двухфазных систем жидкость-газ, вычислены свойства и изучена структура леннард-джонсовых жидкостей в состоянии равновесия, при интен-

сивном испарении, конденсации и под воздействием сильного гравитационного поля.

4. Показано, что свойства модельных систем, взаимодействие частиц которых описывается модификациями потенциала Леннард-Джонса, основанными на обрезании и/или сдвиге потенциальной функции, подчиняются расширенному закону соответственных состояний и термодинамически подобны друг другу и простым жидкостям.

5. Показано, что поверхностное натяжение модельных систем снижается при испарении и повышается при конденсации. Получено хорошее согласие с результатами расчета поправок по соотношениям, полученным в рамках развитого термодинамического подхода.

6. Продемонстрированы эффекты исчезновения и возникновения межфазной границы раздела жидкость-газ в условиях внешних воздействий при температурах отличающихся от критической. Предсказан новый эффект исчезновения межфазной границы раздела в условиях интенсивного испарения при температурах ниже критической. Показано, что под воздействием сильного гравитационного поля происходит разделение сверхкритического флюида на фазы и образование межфазной поверхности при температурах выше критической.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. D.O. Dunikov, S.P. Malyshenko, V.V. Zhakhovskii. Interface properties at highrate phase transitions// Heat Transfer 98: Proc. of 11th International Heat and Mass Transfer Conference. - Kyongju, Korea, 1998. - V. 2. - P. 93-98.

2. Д.О. Дуников, B.B. Жаховский B.B., С.П. Малышенко. Свойства границы раздела жидкость-газ при интенсивных фазовых превращениях// Труды 2 Российской конференции по тепломассообмену РНКТ2. - Москва, 1998. -Т. 2.-С. 298-301.

3. S.I. Anisimov, D.O. Dunikov, S.P. Malyshenko, V.V. Zhakhovskii. Properties of a liquid-gas interface at high-rate evaporation// Journal of Chemical Physics. - 1999. - V. 110. - P. 8722-8729.

4. S.I. Anisimov, D.O. Dunikov, S.P. Malyshenko, V.V. Zhakhovskii. Interface properties at high-rate phase transitions// Two-phase Flow Modeling and Experimentation: Proc. of 2nd Symposium - Pisa, Italy, 1999. - C. 1303-1310.

5. Д.О. Дуников. Молекулярно-динамическое моделирование поверхности леннард-джонсовской жидкости// Тезисы докладов VI Всероссийской конференции молодых ученых. - Новосибирск, 2000. - С. 111-112.

6. I. Chernysheva, V. Dmitrienko, V. Atrazhev, A. Berezhnov, D. Dounikov. The transport properties of electrons injected in dense xenon fluid// Electrical Conduction, Convection and Breakdown in Fluids: Proc. of 2nd International Workshop. - Grenoble, France, 2000. - P. 17-20.

7. Дуников Д.О., Малышенко С.П., Жаховский В.В. Конденсация жидкости: молекулярно-динамическое исследование// Физические Основы Экспериментального и Математического Моделирования Процессов Газодинамики и Теплообмена в Энергетических Установках: Труды XIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтье--ва, - Санкт-Петербург, 2001. - Т. 1. - С. 409-412.

8. D.O. Dounikov, S.P. Malyshenko, V.V. Zhakhovskii. Corresponding states law and molecular dynamics simulations of the Lennard-Jones fluid// Journal of Chemical Physics - 2001. - V. 115(14). - P. 6623-6631.

9. S.P. Malyshenko, D.O. Dunikov. On the surface tension corrections in non-uniform and non-equilibrium liquid-gas systems// Book of abstracts of 4th International Conference on Multiphase Flows (ICMF2001). - New Orlean, Louisiana, USA, 2001 - P. 140; CDROM Publication of Proceedings.

10. D.O. Dunikov, S.P. Malyshenko, V.V. Zhakhovskii. Molecular dynamics simulation of liquid-vapor interface of Lennard-Jones fluid// STATPHYS 21 Conference Abstracts. - Cancun, Mexico, 2001. - P. 210.

11. D.O. Dunikov, S.P. Malyshenko, V.V. Zhakhovskii. Molecular dynamics simulation of condensation// CDROM publication: Proc. of Sixteenth European Conference on Thermophysical Properties (ECTP 16). - London, England, 2002.

12. S.P. Malyshenko, D.O. Dunikov. On the surface tension corrections in non-uniform and non-equilibrium liquid-gas systems// International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2002 - V. 45(26). - P. 5201- 5208.

13. Д.О. Дуников, B.B. Жаховский B.B., С.П. Малышенко. Граница раздела жидкость-газ при нестационарной конденсации: молекулярно-динамическое исследование// Труды 3 Российской конференции по тепломассообмену РНКТЗ. - Москва, 2002. - Т.4. - С. 257-260.

14. Дуников Д.О., Малышенко С.П., Петухов А.В. Молекулярно-динамическое исследование воздействия гравитационного поля на закритиче-ский леннард-джонсовский флюид// Физические Основы Экспериментального и Математического Моделирования Процессов Газодинамики и Теплообмена в Энергетических Установках: Труды XIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. - Рыбинск, 2003.-Т. 1.-С. 409-412.

15. A.I. Leontiev et al. New effects in interfacial heat and mass transfer of boiling and evaporation in micro-scale porous materials// CDROM publication: 2003

ASME International Mechanical Engineering Congress. - Washington DC, USA, 2003.-V. 1.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Дж. Роулинсон, Б. Уидом. Молекулярная теория капиллярности. - М.: Мир,1986.

[2] J. Tamba, Т. Ohara, Т. Aihara. MD study on interfacelike phenomena in supercritical fluid// Microscale Thermophisical Engineering. - 1997. - V. 1. - P. 1930.

[3] K. Rah, B.Ch. Eu. Theory of nonequilibrium interface: effects of shear flow// Physica A. - 2001. - V. 292. - P. 102-128.

[4] С.П. Малышенко. Влияние поля тяжести на свойства межфазной границы жидкотьгаз вблизи критической точки чистого вещества// Поверхностные явления в жидких растворах. Ленинград: ЛГУ, 1972. - Т. 1. - С. 144-149.

[5] С.П. Малышенко. Влияние искривленной границы раздела фаз на поверхностное натяжение и кинетику зародышеобразования в жидкостях// Теплофизика Высоких Температур. - 1994. - Т. 32(5). - С. 718-725.

[6] В.В. Жаховский. Моделирование фазовых переходов первого рода методом молекулярной динамики: Дис. канд. ф.м. н./ ИВТАН. - М., 1996.

[7] В.В. Жаховский, С.И. Анисимов. Численное моделирование испарения жидкости методом молекулярной динамики// ЖЭТФ. - 1997. - Т. 84. - С. 734.

[8] V.V. Zhakhovskii, S.V. Zybin, К. Nishihara, S.I. Anisimov. Shock wave structure in lennardjones crystal via molecular dynamics// Phys. Rew. E. - 1999. - V. 83(6).-P. 1175-1178.

[9] Дж. Гиршфельдер, Ч. Кертис, Р. Берд Молекулярная теория газов и жидкостей - М.: Изд-во ИЛ, 1961.

Дуников Дмитрий Олегович

Автореферат

Подписано в печать 16 09 04 формат 60x84/16

Печать офсетная Уч -изд л 1 37 Уел печ л 1 23

Тираж 120 экз__Заказ № 18_Бесплатно

ОИВТ РАН, 1:5412, Москва, Ижорская ул , 13/19

№18495

РНБ Русский фонд

2005-4 13381

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Дуников, Дмитрий Олегович

Введение

1 Межфазная поверхность жидкость-газ в условиях внешних воздействий

1.1 Поправка первого порядка к поверхностному натяжению.

1.2 Размерный эффект.

1.3 Поверхностное натяжение при испарении

1.4 Пузырек на тепловой стадии роста

2 Метод молекулярной динамики для двухфазных систем

2.1 Интегрирование уравнений движения.

2.2 Математическая модель двухфазной системы

2.3 Вычислительный алгоритм.

2.4 Вычисление свойств.

3 Моделирование равновесных систем

3.1 Результаты расчетов.

3.2 Закон соответственных состояний в молекулярно-динамическом моделировании

3.3 Определение критических параметров для полного потенциала.

3.4 Структура межфазного слоя.

4 Моделирование влияния неоднородностей полевых переменных на границу раздела жидкость-газ

4.1 Молекулярно-динамическое моделирование испарения в вакуум

4.1.1 Результаты расчетов.

4.1.2 Коэффициент испарения.

4.1.3 Поверхностное натяжение.

4.2 Моделирование процесса переконденсации.

4.3 Эффекты исчезновения и возникновения границы раздела фаз при температурах отличных от критической

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование влияния неоднородностей полевых переменных при фазовых превращениях на свойства межфазной границы раздела жидкость-газ"

Объект исследования и актуальность темы.

Важным направлением в создании и развитии новых технологий является повышение эффективности работы энергетического оборудования одновременно с его миниатюризацией и снижением материалоемкости. Достижение этой цели ведет к существенным экономическому и экологическому эффектам, связанным с более рациональным использованием топливных ресурсов, уменьшением габаритов и улучшением пользовательских характеристик устройств. Фазовые превращения в жидкостях принадлежат к самым распространенным процессам, используемым в современной технике, и их интенсификация является одним из основных путей достижения задач, стоящих сегодня перед теплофизикой.

Добиться интенсификации тепловых процессов можно путем концентрации энергетических потоков на малых временных и пространственных масштабах и созданием внешних воздействий на систему жидкость-газ: "геометрической"активацией теплообменных поверхностей путем нанесения на них пористых покрытий, меняющих геометрию распределения фаз при кипении, воздействием внешних силовых полей, быстрым переводом системы в область фазовой метастабильности и т.д. Внешние воздействия, возрастание межфазного переноса энергии и массы при интенсивных фазовых превращениях приводят к тому, что фазовые равновесия и превращения реализуются в условиях существенной неоднородности полей физических величин. Эти неоднородности полевых переменных (например, температуры и давления) могут приводить к изменению свойств межфазных границ раздела.

В классическом подходе к описанию процессов тепломассообмена используется метод разделяющих поверхностей Гиббса, который рассматривает межфазный слой как поверхность нулевой толщины, выбранную согласно некоторому правилу, и которой приписаны поверхностные свойства. Несмотря на то, что в действительности граница раздела между жидкостью и газом обладает ненулевой толщиной и внутренней структурой, для многих практических задач подход Гиббса позволяет адекватно описывать процессы на межфазной поверхности. Однако при повышении интенсивности процессов тепло и массопереноса характерные масштабы неоднородностей полевых переменных становятся сопоставимыми с толщиной межфазного слоя. В результате действия подобных неоднородностей возможно проявление таких эффектов, как изменение границ термодинамической устойчивости системы, параметров фазового равновесия и асимптотических законов для теплофизических характеристик системы в их окрестности, свойств межфазных границ раздела и механизмов межфазного переноса, а также возникновение новых диссипативных структур и неравновесных фазовых переходов, определяемых характером внешних воздействий.

Эти эффекты приводят к существенным особенностям тепловых процессов и задачи их экспериментальных и теоретических исследований важны как для развития физики тепловых процессов при фазовых превращениях, так и для решения многих прикладных задач, связанных с разработками и созданием нового высокоэффективного и энергосберегающего оборудования для энергетики, холодильной и криогенной техники, прикладной сверхпроводимости, электронной промышленности, химической технологии и ряда других отраслей народного хозяйства.

Настоящая работа направлена на исследование воздействия неоднородностей полевых переменных на свойства и структуру поверхности раздела жидкость-газ. Решение этой проблемы можно разделить на две части: разработка адекватного теоретического подхода, позволяющего получить применимые на практике соотношения, описывающие эффекты воздействия неоднородностей полевых переменных на свойства и структуру границы раздела жидкость-газ; и экспериментальная верификация результатов теоретических исследований.

С точки зрения целей настоящей работы наиболее продуктивным подходом к исследованию свойств и структуры межфазного слоя представляется теория капиллярности Ван-дер-Ваальса, относящаяся к квазитермодинамическим методам или методам локальной термодинамики. Эти методы основаны на допущении о возможности применения понятий локальных термодинамических полей и плотностей даже в неоднородной системе. В результате появляется возможность исследовать систему жидкость-газ не только на уровне однородных объемных фаз, как это делается в классической термодинамике. В то же время более строгие и точные методы статистической физики оказываются чрезмерно сложны для описания процессов на границе раздела фаз, и многие задачи не имеют в этом подходе аналитического решения.

Решение экспериментальной части задачи также наталкивается на значительные трудности, поскольку в нормальных условиях толщина межфазного слоя является малой величиной (порядка единиц нанометров). Проведение тщательных экспериментов, особенно в условиях фазовых превращений или воздействия внешних полей, оказывается чрезвычайно сложным. Поэтому рационально использовать методы численного эксперимента, а именно молекулярно-динамическое моделирование, которое основано на решении уравнений движения для всех молекул, составляющих термодинамическую систему. В связи с бурным развитием компьютерной техники, в последние десятилетия этот метод стал од* ним из важнейших инструментов, позволяющих изучать строение вещества и процессы на микроуровне.

В большей своей части развиваемое в настоящей работе направление является новым. Основным направлением развития теории капиллярности было изучение равновесных состояний, а исследования по изучению изменения свойств поверхности под влиянием неод-нородностей полевых переменных проводились в основном с точки зрения изучения размерного эффекта - изменения поверхностного натяжения на искривленной поверхности раздела фаз [1,2]. Этому вопросу посвящено множество теоретических и экспериментальных работ.

Воздействия прочих неоднородностей на свойства интерфазы освещено в весьма малом количестве работ. Это связано со значительными трудностями, возникающими при изучении неравновесных процессов на межфазных границах и общей неразвитостью тео-' рии в этом направлении. Лишь в 1990-е годы в связи с бурным развитием компьютерной техники стали появляться работы по численному моделированию фазовых превращений и прочих неравновесных процессов. В отличие от исследования однофазных систем, изучение двухфазных систем, особенно не находящихся в состоянии термодинамического равновесия, делает только первые шаги.

В связи с темой настоящей работы можно отметить результаты японских исследователей [3], которые методом молекулярной динамики изучали воздействие неоднородного поля температуры на сверхкритический флюид и отметили возникновение под действием градиента температуры структур, подобных межфазному слою между жидкостью и газом. Похожие результаты были получены и нами при исследовании воздействия сильного гравитационно-^ го поля на сверхкритический флюид (см. Гл. 4.3). Заслуживают внимания теоретические работы по изучению неравновесных процессов на границе раздела жидкость-пар в присутствии сдвигового течения [4] сделанные в рамках метода неравновесного ансамбля [5] -модификации уравнений Ивона-Борна-Грина для неравновесной системы. Было обнаружено, что сдвиговое течение приводит к изменению формы профиля плотности в межфазном слое, что приводит к появлению поправки к поверхностному натяжению. Этот вывод вполне совпадает с изложенными в настоящей работе результатами наших исследований.

Молекулярно-динамическое моделирование процессов испарения и конденсации на поверхности раздела жидкость-газ имеет недавнюю историю, сообщения об исследования в ^ системах, содержащих значительное число молекул, начали появляться в начале 1990-х. Работы С.И. Анисимова и В.В. Жаховского [6,7] по моделированию испарения в вакуум вошли в число пионерских в этой области. Представленные в настоящей диссертации результаты являются продолжением этих работ. Методика численного эксперимента по изучению двухфазных систем была модернизирована для создания адекватных моделей двухфазных систем, позволяющих изучать процессы фазовых превращений жидкость-пар и воздействие внешних полей на двухфазную систему.

Таким образом, задачами настоящей работы явилось:

1. Провести анализ изменений поверхностного натяжения в системах жидкость-газ, вызванных неоднородностью полевых переменных, на основе ван-дер-ваальсовской теории капиллярности и получить выражения для поправок первого порядка через свойства равновесной системы в отсутствие внешних воздействий;

3. Разработать методики сопоставления результатов молекулярно-динамического моделирования с результатами термодинамических расчетов и экспериментальными данными на основе расширенного закона соотвественных состояний;

Для выполнения вышеуказанных задач были поставлены следующие цели работы:

1. Определить поправки первого порядка к поверхностному натяжению системы жидкость-пар, находящейся в условиях неоднородности полевых переменных;

2. Получить выражения для поправок к поверхностному натяжению, возникающих благодаря размерному эффекту, интенсивному испарению с поверхности жидкости и при росте пузыря в перегретой жидкости;

3. Использовать высокоэффективные вычислительные алгоритмы и программы, реализующие метод молекулярной динамики, применительно к моделированию двухфазных систем жидкость-газ;

4. Исследовать свойства и структуру межфазного слоя жидкость-газ при равновесии и при фазовых превращениях;

5. Сформулировать и обосновать расширенный закон соответственных состояний для результатов численных экспериментов, обеспечивающий соотнесение их результатов со свойствами реальных веществ;

6. Исследовать изменения поверхностного натяжения модельных систем при испарении и конденсации, провести сравнение с результатами термодинамического анализа;

7. Исследовать влияние сильного гравитационного поля на свойства и структуру сверхкритического леннард-джонсовского флюида.

Результаты исследований обобщены в виде следующих положений, выносимых на защиту:

2. Получены формулы для расчета поправок к поверхностному натяжению для случаев интенсивного испарения при плоской поверхности раздела фаз, наличия искривленной границы радела фаз (определен параметр Толмена) и при росте пузырька в перегретой жидкости на тепловой стадии роста. В рамках термодинамического подхода показано, что интенсивном испарение приводит к снижению поверхностного натяжения.

3. Усовершенствована методика молекулярно-динамического моделирования двухфазных систем жидкость-газ, вычислены свойства и изучена структура леннард-джонсовских жидкостей в состоянии равновесия, при интенсивном испарении, конденсации и под воздействием сильного гравитационного поля.

Апробация работы.

Основные результаты представленного комплекса исследований были опубликованы в 15 печатных работах [8-22] и неоднократно обсуждались на следующих научных семинарах, российских и международных конференциях: на заседаниях Ученого Совета и семинарах ИВТ РАН "Физико-технические проблемы энергетики"под руководством чл.-корр. РАН В.М. Батенина; на II и III Российских Национальных Конференциях по Теплообмену, Москва 1998, 2002 гг.;

XII, XIII и XIV Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева Москва, 1999, Санкт-Петербург, 2001, Рыбинск, 2003;

VI Всероссийской конференции молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Новосибирск, 2000;

11-й Международной конференции по тепломассообмену, Кнджу, Корея, 1998;

2-м Международном симпозиуме по экспериментальным исследованиям и моделированию двухфазных потоков Пиза, Италия, 1999;

4-й Международной конференции по многофазным потокам (ICMF-2001), Новый Орлеан, США, 2001;

21-й Международной конференции по статистической физике, Канкун, Мексика,

2001;

16-й Европейской конференции по теплофизиче-ским свойствам, Лондон, Великобритания 2002;

2003 ASME International Mechanical Engineering Congress, 15-21 ноября 2003 года, Вашингтон, США.

Представленный цикл исследований выполнен в соответствии с Федеральной целевой программой "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники", программой фундаментальных исследований ОФТПЭ РАН, программой фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН "Устойчивость фазовых состояний и критические режимы тепломассопереноса"и при поддержке РФФИ (проекты 96-02-17546-а, 98-02-16855-а, 99-02-16619-а, 01-02-06186-мас, 02-02-17255-а 02-02-17376-а 02-02-27252-з), фонда CRDF (проект RP1-2337-ST-02).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 105 страниц машинописного текста, 55 рисунков, 16 таблиц, 67 найме

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

Основные результаты диссертационной работы можно обобщить в виде следующих выводов:

2. Получены формулы для расчета поправок к поверхностному натяжению для случаев интенсивного испарения при плоской поверхности раздела фаз, наличия искривленной границы радела фаз (определен параметр Толмена) и при росте пузырька в перегретой жидкости на тепловой стадии роста. В рамках термодинамического подхода показано, что интенсивном испарение приводит к снижению поверхностного натяжения.

5. Заключение

Интенсивные фазовые превращения, воздействие внешних полей, изменение конфигурации распределения фаз приводят к тому, что в области межфазной границы раздела жидкость-газ могут возникнуть существенные неоднородности полевых переменных - полей температуры и давления. Основной вопрос, которому посвящена настоящая диссертация, заключается в определении влияния этих неоднородностей на свойства и структуру интерфазы.

При исследовании тепломассообмена межфазная поверхность обычно рассматривается в рамках подхода Гиббса - как разделяющая поверхность нулевой толщины, которой приписываются поверхностные свойства. Использование этого подхода вполне оправдано, когда внутренней структурой интерфазы можно пренебречь, когда же характерный масштаб неоднородности полевых переменных становится сравним с толщиной интерфазы, становится заметным их влияние на свойства и структуру межфазного слоя.

Влияние неоднородностей полевых переменных было исследовано в рамках термодинамической теории капиллярности Ван-дер-Ваальса и в численных экспериментах методом молекулярной динамики.

В теории Ван-дер-Ваальса избыточная плотность свободной энергии, определяющая поверхностное натяжение, зависит от квадрата градиента плотности в межфазном слое (1.2). Таким образом, анализируя влияние неоднородностей полевых переменных на профиль плотности, можно определить, как они влияют на поверхностное натяжение (1.6). В результате была получена поправка первого порядка к поверхностному натяжению (1.9), описывающая изменение поверхностного натяжения в результате воздействия неоднородностей полевых переменных, выраженная через свойства равновесных фаз: Д7 = /(АТ, АР), где АТ и АР - скачки температуры и давления в межфазном слое.

На основе этого выражения получены формулы для поправок к поверхностному натяжению для искривленной границы раздела фаз, вычислен параметр Толмена (1.13), для случая интенсивного испарения с плоской поверхности (1.17) и роста пузыря в перегретой жидкости на тепловой стадии роста (1.23).

Численный эксперимент методом молекулярной динамики позволяет получить данные о процессах недоступных реальному эксперименту. Для моделирования двухфазной систем жидкость-газ была применена программа, созданная В.В. Жаховским, модернизированная для изучения влияния неоднородностей полевых переменных на свойства и структуру межфазного слоя. Системы содержали от 12 до 108 тысяч частиц, взаимодействие между которыми описывалось потенциальной функцией Леннард-Джонса. Была изучена структура и вычислены физические свойства систем, определены параметры критических точек модельных жидкостей. Использование в численных экспериментах различных модификаций потенциала Леннард-Джонса приводит к существенному изменению фазовой диаграммы флюида (см. Рис. 3.1), что являлось препятстствием к сопоставлению результатов различных исследователей друг с другом и свойствами реальных веществ. Использование аналитических поправок не позволяет достичь адекватного согласия. Нам было показано, что применение расширенного закона соответственных состояний к результатам расчетов позволило добиться хорошего согласия между результатами расчетов и экспериментальными данными в границах применимости термодинамического подобия.

Воздействие неоднородностей полевых переменных на свойства межфазной границы раздела фаз изучалось в процессах интенсивных испарения и кондансации и при воздействии на систему сильного гравитационного поля.

В численных экспериментах исследованы задачи испарения в вакуум и переконденсации с горячего на холодный жидкий слой. Определены поправки к поверхностному натяжению. Подтверждены выводы термодинамического подхода, показано, что неоднородности поля температуры в межфазном слое приводят к изменению распределения плотности в интерфазе и в результате к изменению граничных условий, к появлению поправки поверхностному натяжению. Продемонстрировано, что при интенсивном испарении поверхностное натяжение снижается (Рис. 4.9), а при конденсации - повышается (Рис. 4.12), результаты численных экспериментов находятся в хорошем согласии с расчетами поправки, полученной в рамках термодинамического подхода.

Анализ полученных соотношений и результатов численных экспериментов показывает, что интенсивное испарение приводит к снижению поверхностного натяжения. В то же время этот эффект наблюдается только при высоких тепловых потоках (порядка десятков МВт/м2 для воды в диапазоне до 10 МПа), таким образом, в обычных условиях нет необходимости учитывать этот эффект. При высоких тепловых потоках, близких к характеристическому тепловому потоку q* (1.17), поверхностное натяжение будет стремительно снижаться и будет наблюдаться эффект исчезновения межфазной границы - двухфазная система достигнет термодинамического предела существования. Эффект сильного снижения поверхностного натяжения способствует развитию паровых зародышей в перегретой жидкости, снижая работу зародышеобразования.

Показано, что воздействие сильного гравитационного поля приводит к разделению однородной системы, находящейся при температуре выше критической, на газовую и жидкостную фазы с образованием межфазной поверхности (Рис. 4.13).

Результаты проведенных исследований показывают, что неоднородности полевых переменных, возникающие в результате фазовых превращений в системе жидкость-газ, приводят к изменению свойств и структуры межфазного слоя. Обнаруженные новые эффекты и разработанные теоретические модели могут быть использованы для создания искусственных неоднородностей в системах жидкость-газ, обеспечивая интенсификацию тепловых процессов при создании нового высокоэффективного и экономичного оборудования.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Дуников, Дмитрий Олегович, Москва

1. Дж. Роулинсон, Б. Уидом. Молекулярная теория капиллярности. - М.: Мир, 1986.

2. В.Г. Байдаков. Межфазная граница простых классических и квантовых жидкостей. -Екатеринбург: Наука, 1994.

3. J. Tamba, Т. Ohara, Т. Aihara. MD study on interfacelike phenomena in supercritical fluid// Microscale Thermophisical Engineering. 1997. - V. 1. - P. 19-30.

4. K. Rah, B.Ch. Eu. Theory of non-equilibrium interface: effects of shear flow/ / Physica A.- 2001. V. 292. - P. 102-128.

5. B.C. Eu. Nonequilibrium statistical mechanics. Dordrecht: Kluwer, 1998.

6. С.И. Анисимов, В.В. Жаховский. Об испарении жидкости// Письма в ЖЭТФ. 1993.- Т. 57(2). С. 91-94.

7. В.В. Жаховский, С.И. Анисимов. Численное моделирование испарения жидкости методом молекулярной динамики// ЖЭТФ. 1997. - Т. 84. - С. 734.

8. D.O. Dunikov, S.P. Malyshenko, V.V. Zhakhovskii. Interface properties at high-rate phase transitions// Heat Transfer 98: Proc. of 11th International Heat and Mass Transfer Conference. Kyongju, Korea, 1998. - V. 2. - P. 93-98.

9. Д.О. Дуников, В.В. Жаховский В.В., С.П. Малышенко. Свойства границы раздела жидкость-газ при интенсивных фазовых превращениях/ / Труды 2 Российской конференции по тепломассообмену РНКТ-2. Москва, 1998. - Т. 2. - С. 298-301.

10. S.I. Anisimov, D.O. Dunikov, S.P. Malyshenko, V.V. Zhakhovskii. Properties of a liquid-gas interface at high-rate evaporation. Journal of Chemical Physics. 1999. - V. 110. - P. 8722-8729.

11. S.I. Anisimov, D.O. Dunikov, S.P. Malyshenko, V.V. Zhakhovskii. Interface properties at high-rate phase transitions/ / Two-phase Flow Modeling and Experimentation: Proc. of 2nd Symposium Pisa, Italy, 1999. - C. 1303-1310.

12. Д.О. Дуников. Молекулярно-динамическое моделирование поверхности леннард-джонсовской жидкости/ / Тезисы докладов VI Всероссийской конференции молодых ученых. Новосибирск, 2000. - С. 111-112.

13. D.O. Dounikov, S.P. Malyshenko, V.V. Zhakhovskii. Corresponding states law and molecular-dynamics simulations of the lennard-jones fluid/ / Journal of Chemical Physics- 2001. V. 115(14). - P. 6623-6631.

14. D.O. Dunikov, S.P. Malyshenko, V.V. Zhakhovskii. Molecular dynamics simulation of liquid-vapor interface of lennard-jones fluid// STATPHYS 21 Conference Abstracts. Cancun, Mexico, 2001. - P. 210.

15. D.O. Dunikov, S.P. Malyshenko, V.V. Zhakhovskii. Molecular dynamics simulation of condensation/ / CD-ROM publication: Proc. of Sixteenth European Conference on Thermophysical Properties (ECTP 16). London, England, 2002.

16. S.P. Malyshenko, D.O. Dunikov. On the surface tension corrections in nonuniform and nonequilibrium liquidgas systems// International Journal of Heat and Mass Transfer. -2002 V. 45(26). - P. 5201-5208.

17. Д.О. Дуников, В.В. Жаховский В.В., and С.П. Малышенко. Граница раздела жидкость-газ при нестационарной конденсации: молекулярно-динамическое исследование / / Труды 3 Российской конференции по тепломассообмену РНКТ-3. Москва, 2002. - Т.4. -+ С. 257-260.

18. A.I. Leontiev et al. New effects in interfacial heat and mass transfer of boiling and evaporation in micro-scale porous materials// CD-ROM publication: 2003 ASME International Mechanical Engineering Congress. Washington DC, USA, 2003. — V. 1.

19. С.П. Малышенко. Влияние искривленной границы раздела фаз на поверхностное натяжение и кинетику зародышеобразования в жидкостях/ / Теплофизика Высоких Температур. 1994. - Т. 32(5). - С. 718-725.

20. P.A. Egelstaff, В. Widom. Liquid surface tension near the triple point / / Journal of Chemical Physic. 1970. - V. 53(7). - P. 2667.

21. C.JI. Ривкин, А.А. Александров, E.A. Кремневская. Термодинамические производные для воды и водяного пара. М.: Энергия, 1977.

22. R.C. Tolman/ / J. Chem. Phys 1948 - V. 16. - P. 758.

23. R.C. Tolman// J. Chem. Phys 1949 - V. 17. - P. 118

24. H. El Bardouni, M. Mareshal, R. Lovett, M. Baus. Computer simulation study of the local pressure in a spherical liquid-vapor interface// Journal of Chemical Physics 2000. - V. 113(21). - P. 9804-9809.

25. S.H. Park, C.L. Tien, and J.G. Weng. A molecular dynamics study on surface tension of microbubbles// International Journal of Heat and Mass Transfer. 2001. - V. 44(10). -P.: 1849-1856.

26. M.S. Plesset, S.A. Zwick// Appl. Phys. 1954 - V. 25(4). - P. 493.

27. Хайрер Э., Нерсетт С., Ваннер Г. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Нежесткие задачи. М.: Наука, 1982.

28. D.W. Heerman. Computer Simulation Methods in Theoretical Physics. Berlin: Springer + Verlag, 1986.

29. B.B. Жаховский. Моделирование фазовых переходов первого рода методом молекулярной динамики: Дис. канд. ф.-м. н. / ИВТАН. М., 1996.

30. V.V. Zhakhovskii, S.V. Zybin, К. Nishihara, S.I. Anisimov. Shock wave structure in lennard-jones crystal via molecular dynamics// Phys. Rew. E. 1999. - V. 83(6). - P. 1175-1178.

31. Дж. Гиршфелъдер, Ч. Кертис, Р. Берд Молекулярная теория газов и жидкостей — М.: Изд-во ИЛ, 1961.

32. L. Verlet. Computer experiments on classical fluids, i. thermodynamical properties of lennard-jones molecules/ / Phys. Rev. 1967. - V. 159(1). - P. 98-103.

33. Ф.М. Куни. Статистическая физика и термодинамика. М.: Наука, 1981.

34. М.Р. Allen, D.J. Tildesley. Computer simulation of liquids. Oxford:Clarendon Press, 1991.

35. M. Mecke, J. Wickelmann. Molecular dynamics simulation of the liquidvapor interface: The lennard-jones fluid// J. Chem. Phys. 1997 - V. 107. - V. 9264-9270.

36. M.A. Анисимов. Критические явления в жидкостях и жидких кристаллах. М.: Наука, 1987.

37. Л.П. Филлипов. Подобие свойств веществ. М.: Московский университет, 1978.

38. Н. Okumura, F. Yonezawa. Liquid-vapor coexistence curves of several interatomic model potentials// J. Chem. Phys. 2000. - V. 113. - P. 9162-9168.

39. E.S. Wu, W.W. Webb/ / Phys. Rew. A: Gen. Phys. 1973 - V. 8 - P. 2065-2076.

40. Li-Jen Chen. Area dependence of the surface tension of a lennard-jones fluid from molecular dynamics simulations// J. Chem. Phys. 1995 - V. 103(23). - P. 10214-10216.

41. M.G. Noro, D. Frenkel. Extended corresponding-states behavior for particles with variable range attractions// J. Chem. Phys. 2000 - V. 113. - P. 2941-2944.

42. M. Hasegawa, K. Ohno. The dependence of the phase diagram on the range of the attractive ^ intermodular forces// J. Phys.: Condens. Matter. 1997 - V., 9. - P. 3361-3370.47.50.