Цели и задачи проекта

Целью проекта является совершенствование существующих и разработка новых моделей и методов, которые могут точнее описывать процессы тепло- и массопереноса в системах находящихся в существенно неравновесных системах. В таких системах термодинамическое равновесие нарушено до такой степени, что классические уравнения механики сплошной среды, не способны корректно описывать физицеские процессы, поэтому для численного исследования используются методы физической кинетики и молекулярной динамики.
Применение результатов этого проекта может быть очень широким, включая, например, улучшение процессов промышленного производства, усовершенствование технологий энергопреобразования, оптимизация систем охлаждения и отопления, а также повышение безопасности и эффективности ядерных реакторов.

Процесс исследования

Адекватное описание высокоинтенсивных процессов тепломассопереноса в двухфазных системах является актуальной задачей в связи с развитием современных технологий. 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. Актуальность рассматриваемых в настоящем проекте задач связана также и с важностью исследования различных природных процессов, например, динамики облачной атмосферы, распространения в атмосфере химических веществ и др. Решение  рассматриваемых в проекте задач напрямую связано с вопросами обеспечения надежной работы современных двигателей на криогенном топливе, для обеспечения надежной работы которых требуется глубокое понимание  процессов, реализующихся при движении паро-капельной смеси в области с высокими степенями пересыщения.

В расчетных исследованиях процессов на поверхности раздела фаз достаточно часто применяется квазиравновесная схема, в которой считается, что температура пара равна температуре поверхности, а его давление – давлению насыщения при этой температуре. Однако с увеличением интенсивности процесса, т.е. плотности потока массы, возрастает роль неравновесных эффектов. Следовательно, исследование процессов переноса при высокой интенсивности требует применения методов молекулярно-кинетической теории. При расчетном анализе интенсивного испарения с поверхности конденсированной фазы с помощью решения кинетического уравнения Больцмана было показано, что пар, движущийся от межфазной границы, является пересыщенным. При этом степень пересыщения (отношение давления пара к давлению насыщения при его температуре) растет с увеличением потока массы и при определенной интенсивности процесса может достигать таких значений, при которых становится возможной объемная конденсация в паре. В экспериментах было обнаружено существование капель на некотором расстоянии от межфазной поверхности, однако расчетные исследования таких процессов к настоящему времени не проводились.
Для достижения поставленной цели предусмотрено решение задачи об испарении-конденсации на поверхностях с учетом объемной конденсации в паровой фазе. При этом для описания процессов переноса на поверхности конденсированной фазы и в паре планируется использовать кинетическое уравнение Больцмана, а для описания динамики конденсационного аэрозоля – кинетическое уравнение для функции распределения капель по размерам. Планируется также использовать методы молекулярно-динамического моделирования для решения поставленных в проекте задач. Данные методы позволяют осуществлять исследование процессов испарения-конденсации (в том числе и в объеме) на базе единого вычислительного алгоритма..

Результаты проекта

Как правило, при расчетном исследовании объемной конденсации пар или парогазовая смесь рассматривается как сплошная среда. Неравновесные эффекты учитываются только для взаимодействия между паром и каплями при умеренных и больших числах  Кнудсена, при этом используются приближенные подходы к расчету скорости роста капель и межфазного теплового потока. Таким образом, новизна поставленной задачи заключается в совместном рассмотрении неравновесных процессов переноса на межфазных поверхностях и в паровой фазе на основе решения кинетического уравнения Больцмана. 

Полученные в ходе реализации проекта результаты и разработанные подходы позволят сделать оценки о необходимости учета/не учета влияния процесса нуклеации на интенсивность испарения и, в случае необходимости, учесть степень этого влияния.