Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Обухов А. Г., Сорокина Е. М.,
Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО АНАЛИТИЧЕСКОМУ И ЧИСЛЕННОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ КОНВЕКТИВНЫХ ТЕЧЕНИЙ СПЛОШНОЙ СРЕДЫ
Термин конвекция (от лат. convectio – принесение, доставка) означает перемещение макроскопических частей сплошной среды (газа, жидкости), которое приводит к переносу массы, тепла и других физических величин. Если конвекция возникает за счет неоднородности сплошной среды (градиенты плотности, концентрации, температуры), то ее называют естественной (свободной) конвекцией. Если же конвекция вызвана внешним механическим воздействием на сплошную среду (например, вибрацией), то она называется вынужденной конвекцией. Градиенты плотности могут быть вызваны как локальным нагревом среды, так и разностью концентраций в жидких или газовых смесях. Наличие же в сплошной среде градиентов плотности приводит к превращению потенциальной энергии гравитации в кинетическую энергию движения под действием сил плавучести. Примером таких свободных конвективных течений является циркуляция воздушных масс в атмосфере Земли
из-за солнечного нагрева.
В последние годы значительно расширился круг задач, в основе которых лежат свободные конвективные течения. Естественная конвекция сплошной среды как один из видов макроскопического движения интенсивно изучается в современной фундаментальной науке. Экспериментальные и теоретические исследования естественной конвекции привели к ее выделению в самостоятельный раздел механики сплошной среды.
Изучение самые различных процессов, определяющих механизмы естественной конвекции, имеет значительную познавательную ценность. А с развитием наукоемких технологий существенно возрастает и прикладная значимость получаемых результатов. Полученные результаты и достижения в исследовании естественной конвекции применяются в геофизике, астрофизике, экологии, метеорологии, теплоэнергетике, металлургии, химии, кристаллофизике и других научных отраслях. В частности, интерес к тепломассопереносу в жидких металлах вызван их применением в качестве теплоносителей в ядерных, термоядерных и космических энергетических установках. Натрий используется в качестве теплоносителя в установках с реактором на быстрых нейтронах. При благоприятной компоновке трубопроводов в них может возникать свободная конвекция натрия, приводящая к прогреву трубопроводов и увеличению тепловых потерь. В этой связи чрезвычайно востребованными становятся результаты экспериментальных исследований свободной конвекции натрия в длинных замкнутых цилиндрических сосудах, ориентированных под различными углами к направлению силы тяжести. Результаты таких исследований могут быть использованы как при проектировании новых реакторных установок, так и при верификации расчетных кодов, используемых в атомной энергетике.
Широкое применение эти результаты находят и в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, в частности, в нефтегазовой отрасли. Возрастающая точность измерений и сложность математических моделей позволяют успешно решать новые задачи, например, получение сверхчистых материалов при пониженной гравитации.
Интенсивное развитие космических технологий привело к возрастанию публикаций, касающихся термокапиллярной конвекции. В условиях Земли данный вид конвекции локализован вблизи свободной поверхности, а в тонких слоях жидкости толщиной порядка миллиметра термокапиллярная конвекция является основным видом конвективного течения жидкости.
Исследование свойств движущейся сплошной среды, будь то газовая смесь, вода, нефть или химический раствор, приводит к необходимости изучения ее внутреннего состояния. Для сплошной среды, находящейся в состоянии покоя, большое значение имеют формулировки законов воздействия внешних факторов, способных при определенных условиях привести к потере устойчивости механического равновесия. Практический интерес имеет решение задач о формировании конвекции в жидкости или газе.
Динамика развития конвективных течений существенным образом зависит от граничных, краевых условий или наличия внутренних источников. Кроме того, значительное влияние могут оказывать внутренние поверхности раздела жидкости или газа, фронты химических реакций, потоки тепла и примеси.
Все возникающие в движущейся сплошной среде процессы являются нестационарными и нелинейными, что значительно затрудняет их изучение. Экспериментальное исследование таких задач связано со сложностью воспроизведения условий, в которых наблюдается явление, с проблемами соблюдения высокой точности измерений в исследуемой области, а также со значительными энергетическими и ресурсными затратами. Поэтому в настоящее время одним из актуальных способов исследования широкого диапазона конвективных течений сплошной среды представляется метод математического моделирования. Существенное влияние при этом имеет выбор соответствующей математической модели, адекватной исследуемому явлению. Это заранее позволяет определить параметры задачи, соответствующие преобладающим процессам.
Не менее важным аспектом является методика проведения численных исследований математической модели. Разработка численных схем и построение оптимальных вычислительных алгоритмов, проведение расчетов сложных течений должны быть связаны с аналитическими свойствами модельных уравнений, определяющими асимптотики и предельные решения общих уравнений.
Моделирование конвективных течений сплошной среды представляет собой комплекс задач и проблем, возникающих при описании и прогнозировании природных явлений, динамики различных технологических процессов. Изучение полей скорости вблизи границ раздела и в поверхностных слоях позволяет эффективно учитывать явления переноса температуры и примеси, определять формы воздействия внешних факторов. Для описания таких процессов необходимо использование новых все более сложных математических моделей тепловой и концентрационной конвекции.