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

19521Банковский троян VENON на Rust атакует Бразилию с помощью девяти техник обхода защиты 19520Бонобо агрессивны не меньше шимпанзе, но всё решают самки 19519Почему 600-килограммовый зонд NASA падает на Землю из-за солнечной активности? 19518«Липовый календарь»: как расписание превращает работников в расходный материал 19517Вредоносные Rust-пакеты и ИИ-бот крадут секреты разработчиков через CI/CD-пайплайны 19516Как хакеры за 72 часа превратили npm-пакет в ключ от целого облака AWS 19515Как WebDAV-диск и поддельная капча помогают обойти антивирус? 19514Могут ли простые числа скрываться внутри чёрных дыр? 19513Метеорит пробил крышу дома в Германии — откуда взялся огненный шар над Европой? 19512Уязвимости LeakyLooker в Google Looker Studio открывали доступ к чужим базам данных 19511Почему тысячи серверов оказываются открытой дверью для хакеров, хотя могли бы ею не быть? 19510Как исследователи за четыре минуты заставили ИИ-браузер Perplexity Comet попасться на... 19509Может ли женщина без влагалища и шейки матки зачать ребёнка естественным путём? 19508Зачем учёные из Вены создали QR-код, который невозможно увидеть без электронного... 19507Девять уязвимостей CrackArmor позволяют получить root-доступ через модуль безопасности...
Ссылка