Ssylka

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

17904Символы власти вестготских женщин: орлиные броши из Аловеры 17903Как одна строка кода вскрыла уязвимость целой экосистемы? 17902Lufthansa заменит 4000 административных сотрудников искусственным интеллектом 17901Каков истинный срок годности генетической информации? 17900Сможет ли закон догнать искусственный интеллект, предлагающий психотерапию? 17899Цепная реакция заражения листерией из-за одного поставщика 17898Холодный расчет: как современная наука изменила правила стирки 17897Деревянная начинка: массовый отзыв корн-догов из-за угрозы травм 17896Случайное открытие, спасшее 500 миллионов жизней 17895Мастерство мобильной съемки: полное руководство по камере iPhone 17894Что мог рассказать личный набор инструментов охотника эпохи палеолита? 17893Почему крупнейшая звездная колыбель млечного пути производит непропорционально много... 17892Обречены ли мы есть инжир с мертвыми осами внутри? 17891Почему AI-помощникам выгодно лгать, а не признавать незнание? 17890Является ли творчество искусственного интеллекта предсказуемым недостатком?