Влияние термокапиллярного эффекта Марангони на тепловое распределение в модельной среде в космических условиях

Н.Н. Бобков (Н.Новгород), Ю.П. Гупало (Москва), О.Р. Козырев, С.В. Оладышкин (Н.Новгород)

Создание модельных сред, в которых гидродинамические процессы протекают подобно процессам в жидкости, может ускорить решение таких важных технологических проблем как получение в условиях пониженной или скомпенсированной гравитации особо чистых веществ (стекла, металлы, композиты), выращивание в космосе кристаллов и создание веществ с новыми свойствами. Зависимость поверхностного натяжения от температуры, что составляет суть эффекта Марангони, создает существенное возмущение, особенно в космических условиях.

Рассматривается задача о стационарном течении в вязкой несжимаемой и невесомой жидкости в угловой области вблизи наклонной стенки, порождаемом термокапиллярными силами на ее свободной поверхности. Рассматриваемая проблема тесно связанная с задачей о “скребке”, которая впервые была исследована Дж. Тейлором [1] в предположении, что инерционные силы в жидкости пренебрежимо малы в окрестности вершины угла, и впоследствии была дополнена учетом инерции. В настоящей работе рассмотрено расширение классической модели Тейлора на случай, когда свободная поверхность жидкости подвержена действию постоянного температурного градиента, в то время как на твердой стенке поддерживается постоянная температура, что приводит к сложным термокапиллярным течениям вследствие зависимости поверхностного натяжения от температуры. Ранее, в рамках приближения ползущего течения были получены в замкнутой форме и визуализированы [2] гидродинамические поля. Настоящая работа посвящена моделированию с привлечением численных методов и визуализации тепловых полей в вязкой жидкости конечной теплопроводности для стандартного и аномального эффектов Марангони. В работе проанализировано влияние размера угла между свободной поверхностью, подверженной воздействию постоянного продольного температурного градиента, и твердой стенкой, на которой поддерживается постоянная температура, на тепловые поля в слое. Проанализировано влияние продольного градиента температуры, действующего на свободной поверхности жидкости, на распределение температуры в ней.

 

1. Taylor G. I. Similarity solution of hydrodynamic problems // Aeronautics and Astronautics (Durand Anniv. Vol.). Cambridge: Pergamon Press. 1960. Р. 21-28.

2. Бобков Н.Н., Гупало Ю.П. Термокапиллярное течение вязкой жидкости внутри угла со свободной границей под действием сил Марангони // Известия АИН РФ. 2000. Т. 1. С. 152–165.