Промышленные процессы, такие как охлаждение, нагрев и смешивание, критически зависят от свойств используемых жидкостей. Традиционно применяются ньютоновские жидкости с постоянной вязкостью, например, вода. Однако все большее внимание привлекают вязкоупругие жидкости, обладающие свойствами как жидкости, так и упругого тела. Известно, что в простых потоках (прямые трубы или каналы) они способны подавлять турбулентность, снижая трение у стенок (эффект снижения сопротивления) и потенциально повышая энергоэффективность. Понимание взаимодействия вязкоупругих жидкостей с турбулентностью является ключевым для их промышленного внедрения.
Исследование, проведенное доцентом Шумпеем Хара с факультета науки и инженерии Университета Дошиша (Япония), профессором Такахиро Цукахара и почетным профессором Ясуо Кавагучи из Токийского университета науки (Япония), было сфокусировано на экспериментальном изучении течения вязкоупругой жидкости в канале с внезапным расширением (конфигурация BFS). Целью работы являлась оценка гидродинамики, управляющей турбулентными движениями в таких условиях. Результаты опубликованы в журнале International Journal of Heat and Mass Transfer.
Доктор Хара поясняет мотивацию исследования: «Вязкоупругие жидкости характеризуются 'временем релаксации'. Наблюдаемые явления зависят от соотношения между временным масштабом движения жидкости и этим временем релаксации. Основной мотив заключался в том, чтобы прояснить нестабильность и выявить фундаментальные характеристики течения вязкоупругих жидкостей в канале с внезапным расширением».
Эксперименты проводились в замкнутом водяном контуре. Использовался двумерный канал высотой 20 мм с уступом, создающим внезапное расширение сечения в соотношении 1:2. В качестве рабочей среды применялась вязкоупругая жидкость на основе поверхностно-активных веществ. Для отслеживания потока использовался метод визуализации частиц (PIV), время релаксации измерялось капиллярным реометром на растяжение, а для измерения теплопередачи применялись термопары типа Т.
В канале с внезапным расширением турбулентность обычно приводит к образованию «отрывного сдвигового слоя». Этот слой нестабилен из-за «гидродинамических неустойчивостей», которые генерируют «турбулентные вихри» и «турбулентную кинетическую энергию». Исследование показало, что взаимодействие между временем релаксации вязкоупругой жидкости и естественным процессом восстановления потока после уступа приводит к неожиданным эффектам.
Одним из таких эффектов стало «инерционно-вязкоупругое меандрирование» потока. Управляя числом Рейнольдса (связанным со скоростью потока) и числом Вайссенберга (связанным с упругостью жидкости), исследователи выявили три различных состояния течения. Первое – состояние низкой диффузии, характеризующееся высокоскоростным потоком без существенной турбулентности и смешения, низким Рейнольдсовым напряжением сдвига и плохим теплообменом.
Второе состояние – средней диффузии – демонстрировало уровни турбулентности, сопоставимые с ньютоновскими жидкостями (например, водой), умеренное Рейнольдсово напряжение сдвига и среднюю интенсивность теплообмена. Третье, наиболее примечательное, – состояние высокой диффузии. В этом режиме основной поток совершал волнообразное «меандрирующее движение», осциллируя перпендикулярно стенкам канала.
Именно это меандрирующее движение в состоянии высокой диффузии оказалось ключом к значительному усилению теплообмена. Оно существенно интенсифицирует перемешивание жидкости, что приводит к выравниванию температурных полей и улучшению переноса импульса. Эффективность теплопередачи в этом режиме резко возрастает.
Высокая эффективность теплообмена и переноса массы в состоянии высокой диффузии делает его чрезвычайно перспективным для промышленных применений. Потенциальные области использования включают теплообменники, химические реакторы и мешалки. Особенно актуальны эти результаты для химической, пищевой и фармацевтической промышленности.
Дальнейшие исследования будут направлены на изучение поведения различных типов вязкоупругих жидкостей, их адаптацию к реальным промышленным условиям и оптимизацию их свойств для максимального повышения энергоэффективности.
Доктор Хара заключает, что данное исследование открывает путь к разработке новых «стратегий управления турбулентностью» с использованием вязкоупругих жидкостей. Это несет в себе потенциал для «эффектов энергосбережения», вносит вклад в понимание «явлений теплопередачи и смешения» в производственных процессах, способствуя улучшению «качества» продукции и обеспечению «гарантии качества».
Изображение носит иллюстративный характер
Исследование, проведенное доцентом Шумпеем Хара с факультета науки и инженерии Университета Дошиша (Япония), профессором Такахиро Цукахара и почетным профессором Ясуо Кавагучи из Токийского университета науки (Япония), было сфокусировано на экспериментальном изучении течения вязкоупругой жидкости в канале с внезапным расширением (конфигурация BFS). Целью работы являлась оценка гидродинамики, управляющей турбулентными движениями в таких условиях. Результаты опубликованы в журнале International Journal of Heat and Mass Transfer.
Доктор Хара поясняет мотивацию исследования: «Вязкоупругие жидкости характеризуются 'временем релаксации'. Наблюдаемые явления зависят от соотношения между временным масштабом движения жидкости и этим временем релаксации. Основной мотив заключался в том, чтобы прояснить нестабильность и выявить фундаментальные характеристики течения вязкоупругих жидкостей в канале с внезапным расширением».
Эксперименты проводились в замкнутом водяном контуре. Использовался двумерный канал высотой 20 мм с уступом, создающим внезапное расширение сечения в соотношении 1:2. В качестве рабочей среды применялась вязкоупругая жидкость на основе поверхностно-активных веществ. Для отслеживания потока использовался метод визуализации частиц (PIV), время релаксации измерялось капиллярным реометром на растяжение, а для измерения теплопередачи применялись термопары типа Т.
В канале с внезапным расширением турбулентность обычно приводит к образованию «отрывного сдвигового слоя». Этот слой нестабилен из-за «гидродинамических неустойчивостей», которые генерируют «турбулентные вихри» и «турбулентную кинетическую энергию». Исследование показало, что взаимодействие между временем релаксации вязкоупругой жидкости и естественным процессом восстановления потока после уступа приводит к неожиданным эффектам.
Одним из таких эффектов стало «инерционно-вязкоупругое меандрирование» потока. Управляя числом Рейнольдса (связанным со скоростью потока) и числом Вайссенберга (связанным с упругостью жидкости), исследователи выявили три различных состояния течения. Первое – состояние низкой диффузии, характеризующееся высокоскоростным потоком без существенной турбулентности и смешения, низким Рейнольдсовым напряжением сдвига и плохим теплообменом.
Второе состояние – средней диффузии – демонстрировало уровни турбулентности, сопоставимые с ньютоновскими жидкостями (например, водой), умеренное Рейнольдсово напряжение сдвига и среднюю интенсивность теплообмена. Третье, наиболее примечательное, – состояние высокой диффузии. В этом режиме основной поток совершал волнообразное «меандрирующее движение», осциллируя перпендикулярно стенкам канала.
Именно это меандрирующее движение в состоянии высокой диффузии оказалось ключом к значительному усилению теплообмена. Оно существенно интенсифицирует перемешивание жидкости, что приводит к выравниванию температурных полей и улучшению переноса импульса. Эффективность теплопередачи в этом режиме резко возрастает.
Высокая эффективность теплообмена и переноса массы в состоянии высокой диффузии делает его чрезвычайно перспективным для промышленных применений. Потенциальные области использования включают теплообменники, химические реакторы и мешалки. Особенно актуальны эти результаты для химической, пищевой и фармацевтической промышленности.
Дальнейшие исследования будут направлены на изучение поведения различных типов вязкоупругих жидкостей, их адаптацию к реальным промышленным условиям и оптимизацию их свойств для максимального повышения энергоэффективности.
Доктор Хара заключает, что данное исследование открывает путь к разработке новых «стратегий управления турбулентностью» с использованием вязкоупругих жидкостей. Это несет в себе потенциал для «эффектов энергосбережения», вносит вклад в понимание «явлений теплопередачи и смешения» в производственных процессах, способствуя улучшению «качества» продукции и обеспечению «гарантии качества».
