Влияние объемной конденсации на параметры процессов переноса на межфазных поверхностях

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00044

НазваниеВлияние объемной конденсации на параметры процессов переноса на межфазных поверхностях

Руководитель Левашов Владимир Юрьевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые слова Испарение, конденсация, неравновесные процессы, кинетическое уравнение, функция распределения, прямое численное решение, объемная конденсация, молекулярная динамика

Код ГРНТИ44.31.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы теплофизики, связанной с моделированием существенно неравновесных процессов испарения-конденсации, одновременно протекающих на межфазных поверхностях и в пространстве между ними. Адекватное описание высокоинтенсивных процессов тепломассопереноса в двухфазных системах является актуальной задачей в связи с развитием современных технологий и исследованием различных природных явлений. В частности, для микро - и наноэлектроники требуется разработка новых типов теплообменных устройств, вследствие чего возникает интерес к испарению и кипению как наиболее эффективному способу отвода тепла от тепловыделяющих элементов. Решение рассматриваемых в проекте задач также напрямую связано с вопросами обеспечения надежной работы современных двигателей на криогенном топливе, для разработки и создания которых требуется глубокое понимание процессов, реализующихся при движении паро-капельной смеси в областях с различными степенями пересыщения. Велика роль процессов конденсации-испарения в теплообмене и динамике облачной атмосферы, переносе в атмосфере загрязняющих химических веществ. Таким образом, полученные при реализации проекта результаты могут быть важными для различных технических приложений и при исследовании природных явлений. Исследование процессов переноса при высокой интенсивности требует применение методов и подходов, не имеющих ограничений по степени неравновесности рассматриваемых процессов. В настоящем проекте для описания процессов переноса в паре планируется использовать кинетическое уравнение Больцмана, а для описания процесса объемной конденсации – кинетическое уравнение для функции распределения капель по размерам. При этом присутствие в объеме пара капель будет учитываться специальной процедурой трансформации функции распределения молекул по скоростям. В качестве дополняющего метода описания процессов испарения-конденсации с возможностью объемной конденсации в проекте планируется использовать метод молекулярно-динамического (МД) моделирования. Преимущество данного подхода состоит в возможности моделировать жидкую и паровую фазу на базе единого вычислительного метода. Результаты МД моделирования могут быть использованы для корректировки выражения, описывающего скорость нуклеация в зависимости от степени пересыщения. Научная новизна проекта состоит в комплексном подходе к исследованию рассматриваемых в проекте неравновесных процессов. При этом, с одной стороны, будут применяться хорошо известные и зарекомендовавшие себя методы кинетической теории газов: прямое численное решение кинетического уравнения Больцмана, различные методы решения кинетического уравнения для функции распределения капель по размерам. С другой стороны, будут использованы современные методы многомасштабного атомистического моделирования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Левашов В. Ю., Майоров В. О., Крюков А. П. Влияние гомогенной нуклеации на параметры пара вблизи поверхности испарения: упрощенный подход Письма в Журнал технической физики, Письма в ЖТФ, № 21, Т. 48, с. 6-9 (год публикации - 2022)
10.21883/PJTF.2022.21.53703.19342

2. Крюков А.П., Жаховский В.В., Левашов В.Ю. Condensation of subsonic and supersonic gas flows on a flat surface International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 198, 123390 (год публикации - 2022)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123390

3. А. А. Сидоров, А. К. Ястребов МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЪЕМНОЙ КОНДЕНСАЦИИ ПРИ ИСТЕЧЕНИИ ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ ЧЕРЕЗ СОПЛО МЕТОДАМИ CFD С ПРИМЕНЕНИЕМ СПЕЦИАЛЬНОГО РАСЧЕТНОГО МОДУЛЯ Журнал "Телоэнергетика" (год публикации - 2023)

4. Корценштейн Н. М., Ястребов А. К. ВОЗМОЖНОСТЬ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОБЪЕМНОЙ КОНДЕНСАЦИИ В ЗАПЫЛЕННОМ ПАРОГАЗОВОМ ПОТОКЕ XVI Минский международный форум по тепло- и массообмену : Тезисы докладов и сообщений. Дополнительный выпуск., 132-136 (год публикации - 2022)

5. Левашов В.Ю., Жаховский В.В., Крюков А.П. МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЕРХЗВУКОВОЙ КОНДЕНСАЦИИ НАСЫЩЕННОГО ПАРА Материалы Восьмой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 17—22 октября 2022 г.): в 2 т., Т. 1, С. 367-68 (год публикации - 2022)

6. Корценштейн Н.М., Ястребов А.К. МЕЖФАЗНЫЙ ТЕПЛООБМЕН И ВОЗМОЖНОСТЬ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ КОНДЕНСАЦИЕЙ В ЗАПЫЛЕННОМ ПАРОГАЗОВОМ ПОТОКЕ Материалы Восьмой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 17—22 октября 2022 г.): в 2 т., Т. 1, С. 357-358 (год публикации - 2022)

Публикации

1. Левашов В.Ю., Майоров В.О., Крюков А.П. Изменение величины испарительного потока в результате объемной конденсации пара вблизи межфазной поверхности Письма в журнал технической физики, 10, 49, 9-12 (год публикации - 2023)
10.21883/PJTF.2023.10.55426.19532

2. Сидоров А.А., Майоров В.О. Интеграция модели объемной конденсации в расчетный CFD-пакет Ломоносовские чтения. Научная конференция. Секция механики. 4–23 апреля 2023 года. Тезисы докладов., С. 149-150 (год публикации - 2023)

3. Левашов В.Ю., Майоров В.О., Крюков А.П., Терешкин В.С. Различные подходы для оценки влияния процесса гомогенной нуклеации на интенсивность процессов испарения/конденсации Ломоносовские чтения. Научная конференция. Секция механики. 4–23 апреля 2023 года. Тезисы докладов., С. 102-103 (год публикации - 2023)

4. Сидоров А.А., Ястребов А.К. Моделирование процесса объемной конденсации при истечении парогазовой смеси через сопло методами CFD с применением специального расчетного модуля Теплоэнергетика, № 4. С. 65-77 (год публикации - 2023)
10.56304/S0040363623040070

5. Крюков А.П., Пузина Ю.Ю., Жаховский В.В., Левашов В.Ю. Процессы переноса на межфазных поверхностях конденсат – пар: достижения и проблемы Всероссийская конференция «XXXIX Сибирский теплофизический семинар», 28 – 31 августа 2023, Новосибирск. Сборник тезисов., С. 199 (год публикации - 2023)

6. Майоров В.О., Левашов В.Ю., Крюков А.П., Терешкин В.С. Оценка влияния гомогенной нуклеации на интенсивность процесса испарения Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Тезисы докладов XXIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (23 — 27 мая 2023 г., г. Казань), С. 154-155 (год публикации - 2023)

7. Терешкин В.С., Левашов В.Ю. Молекулярно-динамический поход к исследованию гомогенной нуклеации Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Тезисы докладов XXIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (23 — 27 мая 2023 г., г. Казань), С.152-153 (год публикации - 2023)

8. Сидоров А.А., Ястребов А.К. Оценка применимости модели фазовых переходов Ли в задачах с объемной конденсацией в потоках Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Тезисы докладов XXIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (23 — 27 мая 2023 г., г. Казань), С.138-139 (год публикации - 2023)

9. Корценштейн Н.М., Петров Л.В., Рудов А.В., Ястребов А.К. Численное моделирование объемной конденсации пара вблизи межфазной поверхности при интенсивном испарении Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Т. 24, вып. 5 (год публикации - 2023)
10.33257/PhChGD.24.5.1076

10. Терешкин В.С., Левашов В.Ю. Моделирование испарения и конденсации методами молекулярной динамики XIII семинар вузов по теплофизике и энергетике: тезисы докладов Все- российской научной конференции, С. 95-97 (год публикации - 2023)

11. Терешкин В.С., Левашов В.Ю. Определение кластеров с использованием методов молекулярной динамики РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Двадцать девятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов (16–18 марта 2023 г., Москва): Тез. докл., С. 840 (год публикации - 2023)

12. Рудова В.В., Ястребов А.К. Численное решение кинетического уравнения Больцмана для испарения с межфазной поверхности РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Двадцать девятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов (16–18 марта 2023 г., Москва): Тез. докл., С. 836 (год публикации - 2023)

13. Крюков А.П., Пузина Ю.Ю., Жаховский В.В., Левашов В.Ю., Майоров В.О. Процессы переноса на межфазных поверхностях конденсат – пар: достижения и проблемы Известия вузов. Физика, T. 66. № 11. C. 35–45 (год публикации - 2023)
10.17223/00213411/66/11/4

14. Майоров В.О., Левашов В.Ю., Крюков А.П. The influence of homogeneous nucleation on the flow of vapour near the evaporation surface International Heat Transfer Conference (год публикации - 2024)

15. Корценштейн Н.М., Петров Л.В., Ястребов А.К. On the possibility of controlling the process of bulk condensation in a dusty vapor-gas flow International Heat Transfer Conference (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведена модификация процедуры трансформации функции распределения молекул по скоростям в результате взаимодействия с каплями, для возможности учета движения и изменения температуры капель. Представлены результаты расчета для задачи испарения/конденсации воды. Учет образования капель на нестационарной стадии процесса показал, что в предположении о неподвижности капель, их влияние на параметры пара практически отсутствует. Учет изменения температуры капель осуществлялся двумя способами: Способ 1: Температура капли равна температуре пара и поэтому меняется вдоль координаты x и во времени. Способ 2: Нагрев и охлаждение капли определяется процессами конденсации и испарения пара на ее поверхности. В обеих случаях предполагается, что на поверхностях капель возможны испарение и конденсация. Расчеты показали, что учет изменения температуры капель в результате процесса испарения/конденсации существенно влияют на распределение макропараметров. Для оценки влияния неизотермичности процесса нуклеации, система моментных уравнений была дополнена двумя уравнениями энергии для определения температуры пара и капель. Данное дополнение позволило учесть конечную скорость межфазного теплообмена между каплями и паром. Анализ данных показал, что на положение зоны конденсации во времени в большей степени влияет учет неизотрмичности нуклеации. Учет неизотермичности на стадии роста капель оказывает более слабое влияние. Параметры потока после зоны конденсации, определенные в рамках одно– и двухтемпературных моделей, имеют близкие значения. Анализ результатов молекулярно-динамического (МД) моделирования показал, что способ получения пересыщенного состояния может оказывать значительное влияние на дальнейший процесс роста и образования кластеров. При МД моделировании, системы, имеющие одинаковые степени пересыщения, но полученные различными способами, могут содержать различное число начальных кластеров малых размеров, служащих начальными центрами зародышеобразования. Также выполнено сравнение результатов МД моделирования процесса нуклеации с результатами получеными с помощью кинетических подходов. Сравнение осуществлялось на примере задачи о релаксации пересыщенного пара к состоянию равновесия. Рассматрены различные начальные степени пересыщения. Результаты сравнения показали, что при МД моделировании наблюдается образование большого числа малых кластеров за короткий промежуток времени. При этом, в МД системе скорость прихода к равновесию существенно выше, чем предсказывает классическая теория. Данный вопрос требует дальнейшего обсуждения и исследования. С помощью МД решена задача о переконденсации. При этом пленка жидкости помещается в центре МД ячейки, внутри жидкой пленки задается, при помощи термостата, градиент температуры. Изменяя величину градиента температуры в жидкости, получали различные, по степени интенсивности процесса, ситуации. Рассматривались расчётные МД ячейки разной длины (500, 1000 и 2000 нм) при фиксированном размере области жидкой пленки. Увеличение длины ячейки позволяло исследовать влияние расстояния между поверхностями испарения и конденсации на распределение кластеров. Для анализа влияния интенсивности процесса на образование кластеров, в пленке жидкости задавались различные градиенты температур и, как следствие, различные температуры горячей и холодной поверхностей. При температуре горячей поверхности равной 80.4К, а холодной -- 72.3К, анализ показал, что процесс образования кластеров в области пара практически не наблюдается. Сравнение макропараметров в паре с данными молекулярно-кинетических расчетов в аналогичной постановке, подтвердили этот результат. Для случая, когда температуры горячей и холодной поверхностей, имели значения 93 К и 55 К соответственно, анализ результатов показал, что распределение кластеров по мере перехода от горячей поверхности к холодной изменяется незначительно. При этом, вблизи холодной поверхности наблюдается небольшое увеличение максимального размера кластера, также наблюдается увеличение числа кластеров с размерами, превышающими 10 молекул, что указывает на тенденцию к образованию более крупных структур в холодных зонах. Результаты моделирования также показали, что размер МД ячейки оказывает существенное влияние на распределение и процесс формирования кластеров. Предложен приближенный подход к численному решению кинетического уравнения Больцмана (КУБ) с учетом объемной конденсации. Изменение функции распределения молекул по скоростям в этом случае осуществляется в три этапа: свободномолекулярный разлет; пространственно однородная релаксация; изменение функции распределения в результате объемной конденсации. Результаты расчетов позволили определить минимальное значения отношения Тг/Тх при котором проявляется влияние объемной конденсации. Для воды в качестве такого минимального значения можно принять отношение 1.065. Для других рассмотренных веществ зависимости качественно не отличаются, но влияние объемной конденсации начинает проявляться при других значениях Тг/Тх: 1.27 для аргона и 1.025 для метанола. Предложена методика задания граничных условий в CFD-пакете для моделирования процесса испарения. Результаты моделирования хорошо согласуются с результатами, полученными при решении КУБ. При анализе нестационарного испарения было показано, что при определенных условиях вблизи поверхности испарения формируется структура течения, представляющая собой совокупность нескольких зон: неравновесная кинетическая область; область равномерного потока; контактный разрыв и область с равномерным потоком за замыкающей ударной волной. Результаты получены на базе метода совместного решения кинетического КУБ и уравнения механики сплошной среды, а также путем прямого статистического моделирования Монте-Карло. Проведен детальный анализ возникающей структуры. Предложен подход, позволяющий восстановить структуру течения при нестационарном испарении без решения КУБ.

Публикации

1. Корценштейн Н.М., Левашов В.Ю., Ястребов А.К., Петров Л.В. Numerical simulation of homogeneous-heterogeneous condensation and interphase heat transfer in a dusty vapour-gas flow: Controlling the homogeneous condensation process International Journal of Thermal Sciences, Том: 200 Год: 2024 Страницы: 108966 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijthermalsci.2024.108966

2. Левашов В. Ю., Шишкова И. Н., Крюков А. П. Влияние растущих капель на интенсивность процесса переконденсации ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, № 7, ТОМ 97, C. 1710-1718 (год публикации - 2024)
10.1007/s10891-024-03050-6

3. Рудов А.В., Рудова В.В., Ястребов А.К. Оценка возможности объемной конденсации при интенсивном испарении в существенно неравновесных условиях РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Тридцатая междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов (29 февраля – 2 марта 2024 г., Москва): Тез. докл. М.: ООО «Центр полиграфических услуг „Радуга“», С. 951 (год публикации - 2024)

4. Левашов В., Крюков А., Шишкова И., Шишкова И., Терешкин В. Some approaches to considering the influence of homogeneous nucleation on the intensity of heat and mass transfer during evaporation Booklet of abstracts of the “2nd International Conference on Mathematical Modelling in Mechanics and Engineering”, Belgrade, 12.-14. September 2024., P. 95-96 (год публикации - 2024)

5. Майоров В.О., Левашов В.Ю. Крюков А.П. Исследование влияния объемной конденсации на интенсивность тепло- и массопереноса Инженерно-физический журнал, № 7, ТОМ 97, С. 1704-1709 (год публикации - 2024)
10.1007/s10891-024-03049-z

6. Левашов В. Ю., Крюков А. П., Шишкова И. Н. Влияние гомогенной нуклеации на интенсивность процессов испарения/конденсации КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, № 2, ТОМ 86, С. 218–226 (год публикации - 2024)
10.31857/S0023291224020061

7. Корценштейн Н.М., Петров Л.В., Рудов А.В., Ястребов А.К. On the interaction between the processes of intensive evaporation and bulk condensation near the interfacial surface Proceedings of the 9th CHT-24 ICHMT International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer May 26 - 30, 2024, Istanbul, Turkiye , C. 129–132 (год публикации - 2024)
0.1615/ICHMT.2024.CHT-24.120

8. Корценштейн Н. М., Петров Л. В., Рудов А. В., Ястребов А. К. Объемная конденсация пара при интенсивном испарении с межфазной поверхности Коллоидный журнал (год публикации - 2024)

9. Майоров В.О., Левашов В.Ю., Крюков А.П. Исследование влияния объемной конденсации на интенсивность тепло- и массопереноса Материалы XVII Минского международного форума по тепло- и массообмену (20–24 мая 2024 г.), C. 259-261 (год публикации - 2024)

10. Корценштейн Н.М., Рудов А.В., Ястребов А.К. Объемная конденсация пара при интенсивном испарении с межфазной поверхности Материалы XVII Минского международного форума по тепло- и массообмену (20–24 мая 2024 г.), С. 236-238 (год публикации - 2024)

11. Левашов В.Ю., Крюков А.П., Майоров В.О., Терешкин В.С., Шишкова И.Н., Корценштейн Н.М. Возможные подходы к рассмотрению влияния гомогенной нуклеации на интенсивность тепло- и массопереноса при испарении «Ломоносовские чтения — 2024». Секция механики : Ежегодная научная конференция, 20 марта — 4 апреля 2024 г., Механико-математический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова, Научно-исследовательский институт механики МГУ имени М. В. Ломоносова : тезисы докладов. — Москва : Издательство Московского университета., Сю 97-98 (год публикации - 2024)

12. Левашов В.Ю., Крюков А.П., Кусов А.Л. Структура течения вблизи поверхности испарения ИЗВЕСТИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА (год публикации - 2024)

13. Рудов А.В., Ястребов А.К. О возможности объемной конденсации при интенсивном испарении с межфазной поверхности Материалы IV Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (СПТЭ). Москва, 21-25 октября 2024 г. – М.: Издательство МЭИ, 2024., С. 146-147. (год публикации - 2024)

14. Сидоров А.А., Левашов В.Ю., Крюков А.П. Численное моделирование объемной конденсации с применением CFD-пакета при наличии испарительных граничных условий Материалы IV Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (СПТЭ). Москва, 21-25 октября 2024 г. – М.: Издательство МЭИ, С. 208-209 (год публикации - 2024)

15. Терешкин В.С., Левашов В.Ю. Моделирование пересыщенного пара с использованием методов молекулярной динамики РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Тридцатая междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов (29 февраля – 2 марта 2024 г., Москва): Тез. докл. М.: ООО «Центр полиграфических услуг „Радуга“», С. 973 (год публикации - 2024)

16. Корценштейн Н.М., Петров Л.В., Рудов А.В., Ястребов А.К. Numerical Simulation of Vapor Bulk Condensation near the Interfacial Surface under Intensive Evaporation Conditions Fluid Dynamics, Vol. 59, No. 4, pp. 916–923. (год публикации - 2024)
10.1134/S0015462824602808

17. Шишкова И.Н., Левашов В.Ю., Крюков А.П. Влияние растущих капель на интенсивность процесса переконденсации Материалы XVII Минского международного форума по тепло- и массообмену (20–24 мая 2024 г.), С. 345-347 (год публикации - 2024)