Вязкоупругие жидкости: контроль турбулентности для усиленного теплообмена

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.
Вязкоупругие жидкости: контроль турбулентности для усиленного теплообмена
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».


Новое на сайте

20066[b]Фотосинтез в глазах мышей: возможно ли это без превращения в растение?[/b] 20065[b]СПКЯ стало СПМЯ: почему переименование болезни, затрагивающей миллионы женщин, заняло... 20064[b]Почему великая пирамида Гизы пережила все землетрясения за 4500 лет[/b] 20063[b]Генетика Homo erectus: что зубная эмаль рассказала о наших предках[/b] 20062[b]Кости в бухте эребус: что кости моряков Франклина рассказывают спустя полтора века[/b] 20061[b]Крупнейший плавучий ветрогенератор в мире: Китай испытывает установку у берегов... 20060[b]Карие глаза младенца стали индиго после лечения от COVID-19[/b] 20058[b]Почему серебряная чаша с Афиной пролежала в немецком лесу две тысячи лет?[/b] 20057[b]Дыра в атмосфере солнца: вспышка достигла пика и может зажечь полярное сияние[/b] 20056[b]Динго возрастом 950 лет: кто и зачем кормил могилу животного сотни лет?[/b] 20055[b]Томоэ гозэн: женщина-самурай, которая существовала на самом деле[/b] 20054[b]Что видели астронавты «Аполлона-12» над лунным горизонтом?[/b] 20053[b]Восковой блокнот на латыни и шёлковая туалетная бумага: кто посещал средневековый... 20052[b]Хантавирус на борту: 41 человек под наблюдением после рейса MV Hondius[/b]
Ссылка