Управление тепловой конвекцией при помощи переменных силовых полей тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

пермскии государственный университет

.. Г 5 ОД

у 6 (''ОО 'Р" 1 на правах рукописи

Зюзгин Алексей Викторович

УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ КОНВЕКЦИЕИ ПРИ ПОМОЩИ ПЕРЕМЕННЫХ СИЛОВЫХ ПОЛЕЙ

Специальность: 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Пермь -1998

Работа выполнена на кафедре общей физики Пермского государственного университета.

Научный руководитель: кандидат фюико-математических наук, доцент Г.Ф. Путин.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, доцент ВТ. Козлов (Пермский государственный педагогический университет); кандидат фюико-математических наук, научный сотрудник В.М. Бузмаков (Институт механики сплошных сред УрО РАН);

Ведущая организация - Институт теплофизики СО РАН (г. Новосибирск).

Защита состоится "30" июня 1998 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д-063.59.03 в Пермском государственном университете (г. Перш. ГСП, 614600, ул. Букирева, 15).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан "30" мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д-063.59.03 кандидат фюико-математических наук,

доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Интерес к изучению конвекции в переменных силовых полях объясняется тем, что с помощью таких полей можно управлять устойчивостью конвективных систем и интенсивностью тепло- и массообмена. В последние годы исследованию конвективных процессов в нестационарных внешних условиях уделяется особое внимание в связи с разработкой ряда систем космических аппаратов, функционирующих в условиях микрогравитации. Актуальность работы связана с необходимостью учета переменной гравитационной и инерционной конвекции на различные технологические процессы, такие как плавление, кристаллизация, получение сверхчистых и композиционных материалов, электрофорез и т.д., реализуемые на космических аппаратах.

Существуют многочисленные технологические процессы, в которых конвективные течения являются нежелательными. Одной из наиболее перспективных методик контроля за состоянием конвективной системы является активное динамическое управление с обратной связью. При достаточно полной теоретической проработке данного вопроса и существующих экспериментальных исследованиях управления режимами течений остается актуальным лабораторное моделирование динамического управления устойчивостью механического равновесия конвективной системы в условиях, когда без управления равновесие неустойчиво.

Цель диссертационной работы: состоит в экспериментальном изучении тепловой конвекции в переменных силовых полях. При этом одна из главных задач заключалась в исследовании влияния на устойчивость конвективных течений высокочастотных изменений силового поля по величине, а другая - в автоматическом управлении с обратной связью устойчивостью конвективной системы с помощью изменения направления силового поля. Рассмотрение проводилось на примере классических задач о неизотермических связанных каналах и плоском слое вертикальной ориентации.

Научная новизна результатов. Впервые разработана методика лабораторного моделирования обогреваемого сбоку плоского вертикального слоя жидкости, в котором колебательные возмущения подъемного и опускного потоков развиваются до состояния взаимодействия.

Впервые экспериментально изучены нестационарные режимы конвекции в вертикальном слое жидкости, созданном на основе разработанной методики, в статическом поле тяжести. Получены пороговые значения управляющего параметра задачи, соответствующие кризисам устойчивости плоскопараллельного конвективного течения ' и

надкритических движений. Изучены пространственно-временная эволюция и структуры колебательных режимов.

Впервые экспериментально изучено влияние концентрации твердой мелкодисперсной примеси на устойчивость конвективного течения в вертикальном слое жидкости.

Впервые в широкой области параметров экспериментально исследовано управляющее влияние высокочастотных поступательных горизонтальных вибраций, приложенных в продольном направлении, на устойчивость конвективных течений в вертикальном слое жидкости. Изучен как вибрационный механизм неустойчивости, так и взаимодействие термовибрационного и термогравитационного механизмов конвекции.

Экспериментально обнаружено дестабилизирующее воздействие вибраций на устойчивость нестационарных конвективных режимов термогравитационной природы в вертикальном слое жидкости.

Впервые экспериментально получен эффект стабилизации устойчивости механического равновесия конвективной системы при помощи динамического управления с обратной связью. Показано что при увеличении коэффициента усиления обратной связи стабилизированное равновесие вновь теряет устойчивость и возникает колебательный режим течения.

Научно-практическая ценность работы состоит в том, что экспериментально обнаруженные в диссертации эффекты стабилизации или дестабилизации механического равновесия и конвективных течений с помощью переменных силовых полей дают возможность бесконтактного управления тепло- и массообменом путем изменения взаимной ориентации вектора ускорения поля тяжести и градиента температуры или выбора направления, частоты и амплитуды вибраций. Часть материалов диссертации вошла в программу спецкурсов "Конвекция в замкнутых объемах" и "Гидродинамика невесомости", а разработанные лабораторные установки - в спецпрактикум "Конвекция в замкнутых объемах", для студентов 3 и 4 курсов физического, и 4 курса географического факультетов Пермского государственного университета.

Работа выполнялась в рамках разрабатываемых кафедрой общей физики Пермского государственного университета тем "Конвекция и теплообмен в ламинарном, переходном и турбулентном режимах; влияние осложняющих факторов на конвективную и гидродинамическую устойчивость" (№ ГРО1860081295) и "Гидродинамика поляризующихся жидкостей и гетерогенных систем". Исследования являются также составной частью Международного проекта "Конвективные явления и процессы тепломассопереноса в условиях невесомости и микрогравитации", грантов Международного научного фонда Сороса № МБ5300, № а468-ф, № а96-2538, гранта № 97-03 Федеральной целевой программы "Интеграция" и Программы "Университеты России" (направление И,

"Неравновесные процессы в макроскопических системах").

Автором представляются к защите:

- результаты экспериментального исследования динамического управления с пропорциональной обратной связью устойчивостью механического равновесия и конвективного движения в прямоугольном термосифоне, подогреваемом снизу;

- результаты экспериментального исследования устойчивости основного течения и надкритических нестационарных режимов конвекции в вертикальном слое жидкости, обогреваемом сбоку и находящемся в статическом силовом поле;

- результаты экспериментального исследования влияния концентрации примеси мелких твердых частиц на устойчивость основного течения в вертикальном слое жидкости, который обогревается сбоку и находится в статическом силовом поле;

- результаты экспериментального исследования устойчивости конвективных течений термогравитационной и термовибрационной природы, их структур и взаимодействия в вертикальном слое жидкости, обогреваемом сбоку и совершающем высокочастотные продольные вибрации в горизонтальном направлении.

Апробация работы. Основные результаты исследований представлялись на 29 Всесоюзной студенческой научной конференции (Новосибирск, 1991г.), Первой Международной студенческой конференции "Физика и прогресс" (Санкт-Петербург, 1992г.), Восьмом Европейском симпозиуме "Материаловедение и наука в условиях микрогравитации" (Брюссель, 1992г.), на Первом Международном симпозиуме "Физические проблемы экологии" (Ижевск, 1992г.), Международной конференции-школе "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентности" (Москва, 1992г.), на Международной конференции "Негравитационные механизмы конвекции и тепло- массопереноса в условиях микрогравитации" (Звенигород, 1994г.), на 1 Международной зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1995г.), на Третьем международном семинаре "Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей" (Новосибирск, 1996г.), на Второй международной зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1997г.), на Десятом европейском симпозиуме "Физические науки в условиях микрогравитации" (Москва, 1997г.), на Международной конференции "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентности" (Москва, 1998г.), на Пятом международном семинаре "Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей" (Новосибирск, 1998г.), на Пермском городском гидродинамическом семинаре под руководством профессора Г.З. Гершуни (1996-1998гг.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка используемой литературы (131 наименование). Общий объем диссертации 134 страницы, включая 40 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, ставятся цели и задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, и приведены сведения об апробации работы.

В первой главе приводится обзор публикаций, близких к тематике диссертации. На основании этого обзора дана характеристика современного состояния вопроса и делаются выводы об актуальности исследования конвекции в переменных силовых полях.

Вторая глава посвящена экспериментальному изучению тепловой конвекции в вертикальном слое жидкости, на границах которого поддерживаются постоянные разные температуры. В параграфе 2.1. исследуются нестационарные конвективные течения, возникающие в статическом поле тяжести. В пункте 2.1.1. приводится обзор литературы и обсуждение методики лабораторного моделирования, обеспечивающей согласование конвективной камеры с моделью бесконечного плоского вертикального слоя с кубическим профилем скорости и взаимодействием возмущений во встречных потоках, часто используемой при теоретическом рассмотрении. В пункте 2.1.2. описывается кювета, удовлетворяющая изложенным выше требованиям, и методики измерений. В опытах применялся вертикальный слой керосина с числом Прандтля Рг=26 {Рг=у!%, где V- и %- коэффициенты кинематической вязкости и температуропроводности жидкости) и размерами 300x80 мм2. Толщина слоя была 4 или 6 мм. Перепад температур на границах слоя задавался с помощью струйных ультратермостатов, прокачивавших жидкость по каналам теплообменников. Из-за температурной зависимости вязкости рабочей жидкости результаты, полученные при высоких значениях управляющего параметра задачи, носят скорее иллюстративный характер, что не уменьшает их практической ценности, поскольку в многочисленных теплообменных устройствах наиболее интересны режимы тепломассопереноса при высоких перепадах температур. Для визуальных наблюдений в жидкость добавлялись светорассеивающие частицы алюминиевой пудры, а один из теплообменников изготавливался из прозрачного органического стекла. Тепловые измерения проводились с помощью дифференциальных термопар. Вертикальный градиент температуры, возникающий в силу замкнутости полости, контролировался, и не оказывал определяющего влияния на возникавшие режимы течений. Для определения порога устойчивости конвективных движений использовалась дифференциальная термопара, один из спаев которой (диаметром 0.1 мм и длиной 0.1 мм) был выставлен в полость из металлического теплообменника на четверть толщины слоя в средней части кюветы, а другой спай размещался в том же

теплообменнике. Сигнал

термопары подвергался аналогово-цифровому преобразованию и считывался компьютером. Анализ переменной составляющей этого сигнала позволял определять амплитудно-частотные характеристики нестационарных режимов течения. На рис. 1 приведена зависимость

осредненной по количеству колебаний амплитуды А пульсаций температуры (обезразмеренной в единицах приложенного к слою

А 106

г

а - /? © - Ь -4 мt -6 М1 1 * г-

1 V

-- • „Л Р я

10 8 6 4 2 О

012345678

Рис.1 Зависимость осредненной по времени безразмерной амплитуды колебаний А от числа Рэлея Яа^.

толщины й перепада температур 0) от управляющего критерия Рэлея Яа^^ф Здесь g- ускорение поля тяжести, /3-

коэффициент теплового расширения жидкости.

Горизонтальный участок

зависимости определяет диапазон чисел Рэлея, при которых подъемно-опускное движение жидкости (вверх у горячего теплообменника, вниз у холодного) остается устойчивым, а отличие амплитуды А от нулевого значения обусловлено шумом измерительного тракта. Первый излом зависимости А{Яа^) соответствует кризису устойчивости основного движения и возникновению плоского колебательного движения. Критическое значение числа Рэлея, определенное по точке пересечения этой

зависимостью Ка*={ 4.5 ±0.3)

оси

п4

Яа,

имело значения 104 (Ъ=6 мм) и Яа* =(5.1 ±0.3) • 104 (/2=4 мм). Структура течения, установившегося в результате первой бифуркации, представляет собой инверсионно-симметричные стоячие колебания, при которых Рис.2 Схематическое изображение интенсивность соседних вихрей периодически структуры плоского

меняется в противофазе. Рис.2 схематически колебательного режима, иллюстрирует этот процесс в момент, когда два из четырех вихрей достигли максимума интенсивности, а интенсивность двух других (отмеченных штриховой линией) практически равна нулю. На следующем полупериоде колебаний вихри попарно меняются ролями.

Рис.3 Схема нестационарного режима конвекции с вертикальными структурами.

С дальнейшим ростом числа Рэлея течение пороговым образом (второй излом зависимости А(Rag)) теряет устойчивость по отношению к трехмерным возмущениям. При этом эксперимент со слоем толщиной h=6 мм дает значение Rag**=( 6.0±0.3)-10\ а с А=4 мм Ra**=(5.7±0.3)-104. Анализ пространственного нестационарного режима позволяет определить этот тип неустойчивости как зигзаговый. Трехмерность проявляется в том, что вихри испытывают изгибы вдоль оси вращения. При этом фаза возмущений совпадает для всех вихрей. Одновременно, интенсивность вспыхивания вихрей также становится неоднородной вдоль третьего измерения. Образуются места повышенной завихренности, обеспечивающие более интенсивный теплообмен между стенками и серединой полости. При дальнейшем увеличении числа Рэлея (третий излом зависимости A(Rag)) интенсивность выбросов жидкости из середины слоя нарастает, что приводит к их объединению в вертикальные спиралевидные структуры, периодически расположенные вдоль слоя. Движение в соседних струях осуществляется во встречных направлениях. При этом вертикальные структуры не являются стационарными и совершают незначительные по амплитуде колебания. Схематически этот режим конвекции изображен на рис. 3. Подробные опыты со слоем А=4 мм дали для Rag+ значение Rag+=(6.9±0.6)-104. Проведено изучение амплитудно-частотных характеристик надкритических движений. Для исследования динамических свойств конвекции применялся метод восстановления фазового портрета системы. Результаты определения пороговых значений числа Рэлея количественно согласуются с результатами численного моделирования, проведенного Д.А.Брацуном [9].

В параграфе 2.2 показано, что увеличение концентрации твердой мелкодисперсной примеси в жидкости

5.7

4.9

4.1

33

2.5 0.0

Рис.4 Рэлея

-- Rag*

— -r

С,кг/м3

0.2 0.4 0.6 0.8

Зависимость критического числа от массовой концентрации

Rag*

твердой примеси С.

приводит

подъемно-опускного течения (рис.4). По этому в

к понижению устойчивости

описанных в параграфе 2.1 опытах использовалась такая концентрация визуализирующих частиц, которая приводила к понижению порога устойчивости не более чем на 6%. Результаты экспериментов качественно согласуются с теоретическими данными Д.А.Брацуна [12].

влияние на устойчивость основного и нестационарных режимов конвекции горизонтальных высокочастотных вибраций, приложенных к вертикальному слою в продольном направлении. В пункте 2.3.1. описана лабораторная установка,

включающая в себя вибростенд, кривошипно-шатунный механизм которого позволял изменять амплитуду и частоту колебаний в диапазонах 0.2-^6.0 см и 0.5-^30 Гц, соответственно. Отклонение закона колебаний от гармонического не превышало 10%. В пункте 2.3.2 приведены результаты

экспериментального исследования. Построена карта режимов движения

) ГЦ, 104 С XI X Т 1 ; о , г _ ___

о 2 и Ч

А 1 В ®| я

4 кио3

режимов

вертикальном

конвективного слое,

Рис.5 Карта (рис.5.) в координатах: критерий движения Рэлея и вибрационный аналог подверженном вибрациям;

параметра Рэлея Ка=фЫо&к)2/2гХ. А" Область устойчивого основного течения;

, В- область вибрационной -------------

1Л /|1_ ол^ттттттпгтто тт 1

Здесь

и а>- амплитуда, и

конвекции;

С- область дестабилизирующего влияния циклическая частота вибраций. В вибраций на устойчивость нестационарных области параметров А существует режимов термогравитационной природы; подъемно-опускное течение. О- область взаимодействия

Вертикальная линия 1 термогравитационного и

соответствует границе возникновения термовибрационного механизмов конвекции, вибрационной конвекции и отделяет область устойчивости А от области параметров В, в которой вибрационный механизм неустойчивости вызывает появление виброконвективного режима. Экспериментальные данные, обозначенные точками и образующие границу йа„=(2.1 ±0.5) • 103, в пределах погрешности измерений совпадают с теоретическим значением Яау=2129, изображенным сплошной линией (Гершуни, Жуховицкий, МЖГ, №2, 1988г.). Точками, обозначенными значком И, отмечены результаты экспериментов других авторов (Заварыкин, Зорин, Путин, МЖГ, Том 281, № 4, 1985г.).

1

о

Структура движения, схематически изображенная на рис.6, представляет собой стационарную систему вертикальных вибрационных валов, периодически расположенных вдоль слоя. При увеличении частоты колебаний полости, в системе валиков возникает волновая неустойчивость.

Горизонтальная линия 2 соответствует порогу возникновения пространственного колебательного режима движения.

Экспериментальные данные обозначены точками и образуют границу Rag=(5.1 ±0.3) • 104. Сплошная линия соответствует критическому значению /?0£=5.3-104, полученному в результате расчетов Д.А.Брацуном [9] и не зависящему от величины Rav (Гершуни, Жуховицкий, МЖГ, №2, 1988г.). В исследованном диапазоне параметров области С, где взаимодействуют вибрационный и термогравитационный механизмы

неустойчивости подъемно-опускного течения, не обнаружено плоского колебательного режима. Поскольку горизонтальные вибрации вызывают нарастание вертикально ориентированных возмущений, то при подкритических значениях числа Rav их влияние приводит к понижению устойчивости нестационарных режимов конвекции.

Интересно отметить, что граница возникновения неустойчивости подъемно-опускного течения (линия 2 на рисунке 5) не зависит от вибрационного параметра, в то время как структуры течений существенно отличаются от возникающих в статическом случае при равных величинах Rag. В области параметров D карты режимов (рис.5) взаимодействуют термовибрационный и термогравитационный режимы конвекции. На фоне подъемно-опускного течения существуют вертикальные вибрационные валики. Однако структура движения не является стационарной, поскольку в этой области параметров задачи существует

Рис.6 Схема структуры виброконвективного режима в области В.

Рис.7 Схематическое

изображение структуры движения в области Э карты режимов движения.

мода, отвечающая термогравитационной неустойчивости основного течения. Этот режим проявляется в виде пульсирующих в противофазе горизонтальных вихрей. Они обозначены на схеме (рис.7) штриховыми линиями. Изгиб этих вихрей вдоль оси вращения порождает интенсивные выплески жидкости из центральных областей слоя к его границам. На участках, расположенных периодически вдоль слоя и соответствующих направленным к наблюдателю и от наблюдателя потокам между двумя соседними вибрационными валиками, выплески локально усиливают эти потоки. Это приводит к нестационарному изгибу валиков вдоль их оси вращения. Обсуждаемые выплески соответствуют затененным областям на схеме рис.7. При увеличении интенсивности вибраций снова возникает волновая неустойчивость структуры течения.

Третья глава посвящена динамическому управлению конвективной устойчивостью. В параграфе 3.1 описываются конвективная камера и лабораторная установка, обеспечивавшая управление с обратной связью. В опытах использовалась конвективная петля, представлявшая собой два вертикальных параллельных прямоугольных в сечении канала глубиной 0.82 см, шириной 0.64 см и длиной 15.5 см с расстоянием между их осями 1.2 см. Концы канавок соединялись перемычками такого же сечения. Такой термосифон охлаждался сверху и подогревался снизу. В качестве рабочей жидкости в опытах по стабилизации механического равновесия использовалось трансформаторное масло с числом Прандтля Рг=3 • 102, а для управления устойчивостью конвективных течений - декан-Н (Рг=15). Конвективное искажение V равновесного профиля температуры, пропорциональное скорости циркуляции, измерялось дифференциальной термопарой, спаи которой были выставлены в центры каналов на половине их высоты. Управляющее воздействие обеспечивалось изменением взаимной ориентации вектора ускорения поля тяжести и градиента температуры. В лабораторной установке это достигалось отклонением конвективной петли от вертикального положения в плоскости ее каналов. ЭДС термопары, пропорциональная скорости течения, подавалась на аналого-цифровой преобразователь, в качестве которого использовался цифровой вольтметр. Показания вольтметра считывались персональным компьютером. ЭВМ с помощью управляющей программы вычисляла по формуле пропорциональной обратной связи <р=к V угол отклонения конвективной петли от вертикали <р и через устройство сопряжения управляла шаговым двигателем. Электродвигатель через понижающий редуктор поворачивал термосифон на вычисленный угол. Величина V, пропорциональная интенсивности конвективной циркуляции, уменьшалась, и при следующем цикле понижалось значение угла отклонения (р. Последовательность таких циклов при достаточно большом коэффициенте обратной связи к и относительном числе Рэлея г<5 приводила к уменьшению скорости течения и установлению в системе

динамически стабилизированного 5

механического квазиравновесия (здесь г=Яа/Яа*, где Яа=ёР&}г/ху1, Ка*-его 4 критическое значение, а к- и Ь-поперечный размер и длина каналов д соответственно). При этом конвективная петля находилась в вертикальном положении, а малые отклонения V от нулевого значения (обусловленные развитием конвективного движения) ^ подавлялись малыми углами наклона термосифона от вертикального

положения.

В параграфе 3.2. приведены результаты управления устойчивостью механического равновесия конвективной конвективного течения^ системы. На рис.8 представлена карта область

О

Г *2

с

А1 в

-и**

Ццвд/К

0 г ^ е 8

Рис. 8 Карта устойчивости механического

равновесия жидкости.

А- область существования стационарного

динамически квазиравновесия

стабилизированного жидкости

С- область существования колебательного

устойчивости равновесия в плоскости параметров г, к. Точки на оси г карты отвечают случаю выключенной обратной режима движения, связи к=0. В интервале г< 1 жидкость

находится в состоянии покоя. В диапазоне г>1 устойчивость механического равновесия нарушается, и возбуждается одновихревое стационарное конвективное течение. При включении управления (к > 0) скорость этого течения уменьшается V при критическом значении к* не превосходит уровня, обусловленного шумам! экспериментальной установки. Граничная кривая 1 соответствует стабилизаци* механического равновесия жидкости. Слева от нее находится область параметров А в которой конвективное течение не может быть подавлено и существует, хотя и с меньшей интенсивностью. Справа расположена область В, где динамически стабилизированное квазиравновесие может поддерживаться достаточно долго (е опытах квазиравновесие поддерживалось несколько часов при включенном управлении). Точки на кривой 1 соответствуют экспериментальным данным, а сплошная линия - результатам численного моделирования (Тарунин, Келлер. 1995г.). Граничная линия 2 соответствует срыву устойчивости динамически стабилизированного квазиравновесия и возбуждению нестационарного режима. В области параметров С карты устойчивости, расположенной выше кривой 2, при больших значениях к стабилизированное квазиравновесие снова теряет устойчивость, и динамическое управление генерирует периодический режим конвекции. Изучены его амплитудные и частотные характеристики в зависимости от параметров задачи. Все описанные эффекты были получены и в опытах с

рабочей жидкостью декан-Н. Граничные линии на карте режимов движения (рис.8) для использовавшихся жидкостей удается совместить домножая к на (vX)m. Однако провести систематическое исследование, в данном случае, не удалось из-за низкой разрешающей способности эксперимента.

В параграфе 3.3 проводится изучение стабилизации устойчивости конвективных течений методом динамического управления с обратной связью. Следует отметить, что все нестационарные режимы в данной конвективной петле обусловлены многовихревым режимом течения. В используемой нами лабораторной модели, начиная с г=5, проявляется вторая мода в виде вихрей, возникающих в углах каналов и существующих на фоне основного течения. Сначала они локализованы в верхнем (восходящий поток) и нижнем (нисходящий поток) углах каналов, а при повышении надкритичности охватывают 1/2 и более высоты каналов. Пульсации скорости циркуляционного течения вызваны тем, что интенсивность второй моды случайным образом изменяется со временем и влияет на амплитудные и частотные характеристики основного течения. Показано, что управление с обратной связью стабилизирует устойчивость конвективных течений и подавляет хаотический режим движения. Стабилизирующее действие управления проиллюстрировано на рис.9 в виде зависимости от времени конвективного искажения V равновесного распределения температуры при г=16. Смена знака сигнала соответствует изменению вращения конвективной циркуляции (хаотический режим). Коэффициент обратной связи последовательно принимал значения к=О, к= 0.3, ¿=0.7. Из рисунка видно, что управляющее воздействие на хаотический режим приводит к реализации квазипериодического течения с неизменным направлением циркуляции, а при увеличении к - к стабилизации квазистационарного конвективного движения. Однако восстановить механическое равновесие при высоких значениях г не удавалось. Имеется качественное согласие с теоретическими и экспериментальными результатами

(J. Singer, H.Bau, Phys. Fluids, A3, 1991г.).

5.0 0 -Г-—!------1-1-

В р е м я , с

Рис.9 Зависимость от времени конвективного искажения температуры К для г=16, к=0, к=0.3, к=0.7 последовательно (переходные процессы не изображены).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе исследовано управляющее влияние переменны) по величине или направлению силовых полей на тепловую конвекцию. Рассмотреш два случая: воздействие высокочастотных поступательных вибраций н; устойчивость стационарных и колебательных режимов конвективного течения 1 вертикальном слое жидкости, и динамическое управление с обратной связьк конвективной устойчивостью жидкости в термосифоне.

1.Для изучения нестационарных режимов конвекции разработана методик: лабораторного моделирования конвекции в вертикальном слое жидкости. Методик: позволяет реализовать в экспериментах приближение вертикального слоя подразумевающее нарастание до состояния взаимодействия возмущений скорости I температуры, развивающихся в подъемном и опускном конвективных штоках.

2.С помощью указанного метода изучена устойчивость основного теченш и нестационарные режимы конвекции в вертикальном слое жидкости, ж изотермических границах которого задана разность температур. Найдень: критические значения управляющего параметра задачи - критерия Рэлея дш основных перестроек течения. Изучены структуры конвективных движений и и> частотно-амшппудные характеристики. Полученные в результате экспериментального исследования данные хорошо согласуются с результатам! теоретических исследований других авторов.

3.Экспериментально изучено влияние высокочастотных горизонтальны? вибраций, приложенных в продольном направлении к неоднородно нагретом} вертикальному слою жидкости. Исследовано раздельное и совместное действие вибрационного и гравитационного механизмов тепловой конвекции. Получены эффекты срыва устойчивости подъемно-опускного движения и возбуждения вибрационной конвекции, понижения устойчивости нестационарных режимов термогравитационной природы в вибрационном поле и взаимодействия течений вибрационного и гравитационного типа. В области больших значений вибрационного аналога числа Рэлея обнаружена волновая неустойчивость стационарных структур виброконвективного течения. Обнаружено, что, хотя вибрации не оказывают влияния на порог возбуждения термогравитационной неустойчивости, они, тем не менее, существенно понижают устойчивость нестационарных режимов и изменяют структуры конвективных течений, усиливая трехмерные эффекты.

4.Разработана методика измерения и контроля концентрации твердой мелкодисперсной примеси в рабочей жидкости. Получен эффект понижения устойчивости базового конвективного течения суспензии в вертикальном слое при увеличении концентрации твердого компонента. Результаты экспериментального

исследования качественно согласуются с данными численного моделирования других авторов.

5.Разработана методика динамического управления с пропорциональной обратной связью конвективной устойчивостью неоднородно нагретой жидкости. В качестве управляющего воздействия использовалось изменение взаимной ориентации градиента температуры и вектора ускорения поля тяжести.

6.На базе созданной автоматизированной установки проведено изучение эффектов стабилизации конвективной устойчивости жидкости в прямоугольном, подогреваемом снизу термосифоне. В результате получен эффект динамической стабилизации механического равновесия конвективной системы при надкритическом значении управляющего параметра задачи, когда при отключенном управлении равновесие неустойчиво. Обнаружено, что в области больших значений коэффициента усиления обратной связи стабилизированное квазиравновесие вновь теряет устойчивость и управление генерирует колебательный режим конвективного движения. Изучена зависимость амплитудно-частотных характеристик этого режима от параметров задачи. Такое поведение конвективной системы, находящейся под воздействием управления достаточно необычно, так как с увеличением управляющего воздействия следовало бы ожидать возрастание надежности поддержания квазиравновесия. Таким образом, повышение эффективности управления путем увеличения динамического воздействия на систему может привести к обратному результату, когда управление будет генерировать колебательньш режим движения, срывающий устойчивость стабилизированного механического равновесия конвективной системы. Экспериментальные данные в части стабилизации устойчивости механического равновесия хорошо согласуются с результатами численного моделирования.

Т.Получены эффекты управления интенсивностью конвективного движения в конвективной петле. Изучена динамическая стабилизации устойчивости конвективных течений. Показана возможность подавления хаотического и колебательного режима течения с помощью управления с обратной связью. Эти результаты качественно согласуются с эффектами, полученными экспериментально и теоретически другими авторами.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Zyuzgin A.V. About control of prosess heat- and mass transfer with help oscillations inertia field. Materials of papeis I International students conférence "Physics and Progress", StPeterburg, 1992, p. 10.

2. Babushkin IA., Gluhov A.F., Kosvinsev S.R., Putin G.F., Zavarykin M.P., Zorin S.V., Zyuzgin A.V. Laboratory investigation of some control mechanisxns of convection. Ith Itemational Symposium Physical Problems of Ecology. Izhevsk,1992. p. 85.

3. Putin G.F., Zavarykin M.P., Zorin S.V., Zyuzgin A.V. Heat and mass transfer in the variable inertia field. 8th European Symposium on Materials and Fluid sciences in Microgravity, Brussels, 1992, p.99.

4. Зюзгин A.B., Келлер И.О., Шилков A.B. Автоматическое управление конвективной устойчивостью в термосифоне. Тезисы докладов. Первая Международная Зимняя Школа по механике сплошных сред. Екатеринбург, УрО РАН, 1995, с. 110-111.

5. Зюзгин А.В., Миклин А.В., Никонов Д.И., Шишкин С.В. Исследование пространственных характеристик надкритических конвективных течений в вертикальном слое жидкости. Физика конденсированного состояния вещества, Пермь, 1996, с. 23-33.

6. Гордеев А.А., Зюзгин А.В., Линевич М.А., Трушникова М.С., Шилков А.В. Динамическое управление конвективной устойчивостью. Физика конденсированного состояния вещества, Пермь, 1996, с. 34-41.

7. G.F. Putin, A.V. Shilkov, M.S. Trushnikova, A.V. Zyuzgin The experimental realization of active control of convection. Abstracts of Joint Xth European and Vlth Russian Symposium on Physical Sciences in Microgravity, St. Peterburg, Russia, 1997, sheet 70.

8. Putin G.F., Zyuzgin A.V. Experimental Realization of Dynamic Control of Convective Stability. Proceedings of Joint Xth European and Vlth Russian Symposium on Physical Sciences in Microgravity, St. Petersburg, Russia, 1997, v.l, pp. 262-265.

9. Зюзгин A.B., Брацун Д.А., Путин Г.Ф. Надкритические нестационарные движения в плоском вертикальном слое жидкости. Вестник Пермского университета, Физика, Вып.2, 1997, с. 59-76.

10. Зюзгин А.В., Путин Г.Ф., Трушникова М.С., Шилков А.В. Активный контроль надкритических режимов движения жидкости в конвективной петле. Тезисы 11 Международной зимней школы по механике сплошных сред, Пермь, Том 1,

1997, р. 142.

11. Брацун Д.А., Зюзгин А.В., Путин Г.Ф. Колебательная неустойчивость в вертикальном слое жидкости. Тезисы 11 Международной зимней школы по механике сплошных сред, Пермь, Том 1,1997, р. 78.

12. Брацун Д.А., Зюзгин А.В., Путин Г.Ф. Об устойчивости конвективного движения в запыленной среде. Труды 5 международного семинара по устойчивости течений гомогенных и гетерогенных жидкостей, Новосибирск,

1998, с. 28-36.

13. Bratsun D.A., Putin G.F., Zyuzgin A.V. Time dependent convective flows in a long vertical slot subjected to static and oscillating inertia fields Abstracts of Joint Xth European and Vlth Russian Symposium on Physical Sciences in Microgravity, St. Peterburg, Russia, 1997, sheet 50.

Зюзгин Алексей Викторович УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ КОНВЕКЦИЕЙ С ПОМОЩЬЮ

_ПЕРЕМЕННЫХ СИЛОВЫХ ПОЛЕЙ_

К печати 20.05.98 Формат бум. 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1

_Тираж 100 экз._Заказ 120_

614600, Пермь, Букирева, 15. Типография ПермГУ.