|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Течения вязкой жидкости в окрестности текстурированных супергидрофобных поверхностейНИР
Viscous Fluid Flows in a Vicinity of Textured Superhydrophobic Surfaces
- Руководитель НИР: Агеев А.И.
- Участники НИР: Азанов Г.М., Голубкина И.В.
- Подразделение: 110 Лаборатория механики многофазных сред
- Срок исполнения: 1 января 2016 г. - 31 декабря 2016 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 16-31-00069 мол_а
- Номер ЦИТИС: АААА-А16-116020310347-8
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Механика многокомпонентных и многофазных сплошных сред
- ПН России: Индустрия наносистем
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
-
Рубрики ГРНТИ:
- 30.17.23 Вязкая жидкость
-
Ключевые слова:
условие проскальзывания навье, уравнения стокса, осредненная скорость скольжения, микрокаверна, газовый пузырек, вязкая жидкость, межфазная граница, граничные интегральные уравнения, супергидрофобная поверхность
navier slip boundary condition, stokes equations, superhydrophobic surface, averaged slip velocity, microcavity, viscous fluid, phase interface, boundary integral equations, gas bubble -
Описание:
Проект направлен на решение задачи оптимизации текстуры супергидрофобной поверхности для достижения максимального эффективного проскальзывания при ее обтекании вязкой жидкостью. Выполнение проекта основано на математическом моделировании обтекания вязкой жидкостью элементов текстуры (микрокаверн) супергидрофобных поверхностей, полностью либо частично заполненных газовыми пузырьками. Для периодических текстур на микроуровне происходит чередование участков прилипания (на твердых границах) и проскальзывания (на границах пузырьков), что приводит к эффекту осредненного макроскопического проскальзывания жидкости и снижения сопротивления трения. Планируется разработка и реализация численного алгоритма, основанного на использовании метода граничных интегральных уравнений для двумерных стоксовых течений вязкой жидкости в областях с комбинированными граничными условиями. Будет разработан программный комплекс для расчета поля скорости в окрестности каверны супергидрофобной поверхности, занятой газовым пузырем с криволинейной межфазной границей. Результаты будут применены к описанию течения вблизи супергидрофобных поверхностей с периодической полосчатой текстурой. На основе параметрических численных расчетов будут определены оптимальные (обеспечивающие максимальное проскальзывание и минимальное трение) параметры текстуры супергидрофобной поверхности и формы межфазной поверхности.
-
Основные результаты:
(Этап 1) Будет разработан численный алгоритм для расчета поля скорости в окрестности текстурированной супергидрофобной поверхности. Будет проведено параметрическое исследование эффективной длины скольжения над периодической полосчатой текстурой супергидрофобной поверхности в общем случае, когда каверна лишь частично занята газом, а форма межфазной поверхности криволинейная. Будут рассмотрены задачи о течении вязкой жидкости в тонком канале с супергидрофобной стенкой при заданном расходе. С использованием разработанного кода будет найдена функциональная связь между величиной эффективного скольжения и долей газового участка, формой межфазной границы и ее положения относительно стенок микрокаверны, а также комбинации этих факторов. Будет проведено моделирование обтекания вязкой жидкостью системы микрокаверн сдвиговым потоком для исследования количественной связи между величиной эффективного скольжения и механическим сопротивлением. (Этап 2) Будет выполнено обобщение результатов и методов расчета, разработанных для моделирования обтекания вязкой жидкостью одиночной микрокаверны (2016), на случай обтекания системы микрокаверн, полностью или частично заполненных газовыми пузырьками, образующих периодическую полосчатую текстуру супергидрофобной поверхности. Решенные в 2017 году задачи позволят установить границы применимости имеющихся в литературе асимптотических моделей, которые используются для оценки величины осредненной скорости скольжения в сдвиговом потоке на полосчатой супергидрофобной поверхности, образованной периодической системой каверн с искривленной межфазной границей. Для течения в канале с нижней супергидрофобной стенкой и сдвигового потока будет численно найдет периодический профиль скорости, вырабатывающийся над системой микрокаверн, полностью или частично заполненных газовыми пузырьками с искривленной поверхностью; будет проведено численное исследование осредненной скорости скольжения для системы микрокаверн, обтекаемой вырабатывающимся периодическим профилем скорости. Для течения вязкой жидкости в тонком канале с нижней супергидрофобной стенкой, образованной микрокавернами с газовыми пузырьками, будет решена задача об определении положения точек закрепления мениска в микрокавернах, удерживающих газовые пузырьки. Будет исследована количественная связь между величиной осредненной скорости скольжения на супергидрофобной поверхности и механическим сопротивлением при обтекании вязкой жидкостью периодической полосчатой супергидрофобной поверхности.
- Добавил в систему: Агеев Алексей Игоревич
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Разработка математической модели и методов вычисления осредненного скольжения на супергидрофобной поверхности |
| Результаты этапа: В рамках механики сплошной среды разработана математическая модель для описания установившихся стоксовых течений вязкой жидкости в окрестности периодической супергидрофобной поверхности с микрокавернами в форме полос, в которых статически удерживаются газовые пузырьки без трения. Модель учитывает кривизну поверхности пузырьков и смещение в каверну точек закрепления мениска со стенками. Разработанная модель применима для течений вязкой жидкости вдоль и поперек полос, удерживающих газовые пузырьки. Течение вязкой жидкости вдоль полос описывается уравнением Пуассона (Лапласа), а перпендикулярно полосам - уравнениями Стокса. Уравнения движения решены с использованием метода граничных интегральных уравнений, который применяется для линейных уравнений эллиптического типа в области со сложной геометрией, содержащей межфазную границу, с заданными на ней неоднородными граничными условиями. Был разработан комплекс программ на ЭВМ для численного решения граничных интегральных уравнений, соответствующих рассматриваемым задачам, а также для вычисления скорости жидкости вдоль межфазной границы и в области над каверной. Разработанный численный алгоритм позволяет проводить расчеты параметров течения с контролируемой точностью. Разработанный численный алгоритм был применен для вычисления осредненной скорости скольжения (эффективной длины скольжения), обусловленной наличием газовых пузырьков. Величины осредненной скорости скольжения, соответствующие течениям вдоль и поперек полос, являются главными значениями тензора эффективной длины скольжения, который входит в эффективное граничное условие проскальзывания на супергидрофобных поверхностях для макротечений. Величина осредненной скорости скольжения найдена из осредненного по текстуре граничного условия проскальзывания Навье, которое связывает осредненные касательную скорость жидкости и касательное напряжение, вычисленные на стенке. Отладка численного алгоритма проведена на основе сопоставления результатов численного моделирования течения вязкой жидкости в плоском канале с нижней супергидрофобной стенкой, образованной текстурой с идеализированной прямой межфазной границей, закрепленной в углах каверны, и соответствующим аналитическим решением. Было получено хорошее количественное и качественное совпадение параметров течения, вычисленных с использованием разработанного алгоритма и по известной аналитической формуле. Разработанная методика расчета параметров течения вязкой жидкости в окрестности полосчатой текстуры была применена для моделирования сдвигового течения вязкой жидкости над периодической полосчатой текстурой супергидрофобной поверхности с кавернами, частично заполненными газовыми пузырьками с искривленной межфазной границей. Было получено, что для стоксова режима течения форма межфазной границы аппроксимируется сегментом дуги окружности, радиус кривизны которого определяется статическим углом смачивания в точке закрепления мениска со стенкой каверны. Выполнено параметрическое численное исследование величины осредненной скорости скольжения в сдвиговом потоке и получены зависимости осредненной скорости скольжения от определяющих параметров текстуры: доли газового участка, радиуса кривизны межфазной границы и смещения точек закрепления межфазной границы в каверну. Параметрическое исследование показало, что с увеличением доли газового участка величина осредненной скорости скольжения возрастает. Установлено, что учет влияния кривизны межфазной границы и ее смещения в каверну при вычислении величины осредненной скорости скольжения для течений вдоль и поперек полос приводит к заметному снижению осредненной скорости скольжения по сравнению со значением для текстуры с идеализированной прямой межфазной границей, закрепленной в углах каверны. Получена картина течения вязкой жидкости над периодической текстурой супергидрофобной поверхности с искривленной и погруженной в каверну межфазной границей. Разработанные численные алгоритмы для вычисления поля скорости жидкости над межфазной границей и осредненной скорости скольжения на полосчатой супергидрофобной поверхности могут быть применены для оптимизации текстуры промышленных супергидрофобных поверхностей с целью максимизации эффективного проскальзывания жидкости. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".