Введение к работе
з Актуальность исследований процессов во вращающихся системах объясняется их широкой распространенностью в природе и в различных областях техники. Центральный вопрос, притягивающий внимание, — устойчивость различных режимов течений жидкости со свободной поверхностью. Интересна проблема управления тепло и массопереносом во вращающейся системе, где инерционные эффекты модифицируют поведение жидкости. Не менее важным является вопрос о динамике системы, подверженной осцилляционным воздействиям: в условиях микрогравитации последние оказываются определяющими. Важное место занимает вопрос о колебаниях во вращающейся системе. Инерционные волны представляют собой результат взаимодействия сил инерции и внешних воздействий и на сегодняшний день изучены слабо. Таким образом, поведение жидкости в горизонтальном вращающемся цилиндре представляет значительный научный и практический интерес. Целью работы является экспериментальное исследование различных процессов в жидкости, частично заполняющей горизонтальный вращающийся цилиндр. В работе изучается:
процесс центрифугирования жидкости в зависимости от скорости вращения, размеров и наполнения полости, вязкости жидкости;
устойчивость центрифугированного состояния, условия существования центрифугированного слоя в широком интервале значений наполнения полости и вязкости жидкости;
осредненное течение исследуется с позиции вибрационной механики во всем диапазоне изменения параметров;
изучаются инерционные волны, их влияние на устойчивость центрифугированного слоя и осредненное течение маловязкой жидкости. Научная новизна работы состоит в подробном экспериментальном изучении процессов, происходящих во вращающейся жидкости, в зависимости от параметров вращения, размера полости, объема и вязкости жидкости. В работе впервые экспериментально исследовано:
среднее стационарное движение маловязкой жидкости. Дано теоретическое объяснение механизма формирования течения; осредненное течение в области низких и умеренных безразмерных частот; обнаружено, что возбуждение инерционных волн приводит к интенсификации течения, формированию трехмерных пространственно периодических потоков;
процесс центрифугирования маловязкой жидкости; исследовано влияние
вязкости на центрифугирование жидкости в широкой области наполнений
полости; дано объяснение механизма захвата жидкости в области умеренных
и больших наполнений; объяснена природа возникновения трехмерного
течения и его влияния на порог центрифугирования;
устойчивость центрифугированного состояния жидкости в всей области безразмерных частот; влияние волновых процессов на устойчивость;
разработана методика определения порога возбуждения колебаний, спектральных характеристик волн; впервые проведено исследование волновой неустойчивости маловязкой жидкости; изучены инерционные волны в зависимости от параметров вращения, размера полости, объема жидкости; показано, что колебания могут возбуждаться параметрически.
Автором выносится на защиту:
результаты исследования перехода жидкости в центрифугированное состояние:
а) изучение процесса центрифугирования маловязкой жидкости в зависимости
от параметров вращения, размера и наполнения полости;
б) влияние вязкости на центрифугирование жидкости в области умеренных и
больших наполнений полости;
в) объяснение механизма центрифугирования жидкости;
г) изучение природы возникновения трехмерного течения и его влияние на
порог центрифугирования;
экспериментальное исследование устойчивости центрифугированного состояния, влияние волн на устойчивость слоя маловязкой жидкости;
изучение условий существования центрифугированного слоя в зависимости от параметров вращения, размера полости, объема и вязкости жидкости;
исследование стационарного осредненного течения во вращающейся полости:
а) экспериментальное изучение течения маловязкой жидкости;
б) экспериментальное исследование течения в зависимости от вязкости;
в) теоретическое объяснение механизма формирования среднего течения;
г) исследование влияния инерционных волн на интенсивность течения;
д) исследование трехмерных осредненных течений;
изучение инерционных волн во вращающемся цилиндре:
а) разработка методики определения порога возбуждения колебаний;
б) исследование области волновой неустойчивости;
в) разработка методики изучения и исследование характеристик волн.
Достоверность результатов подтверждается сравнением с теоретическими и
экспериментальными работами других авторов в смежных областях
исследования. Работа выполнена с использованием различных методов
измерения и обработки данных, обеспечивающих надежность результатов.
Научная и практическая значимость. Полученные результаты могут быть
использованы при разработке различных технических устройств, в которых
используются вращающиеся жидкости, расширяет представление о процессах в
атмосфере, на поверхности океана, внутри звезд и планет, может служить
основой для создания новых способов генерации движения, управления тепло-
и массопереносом.
Публикации. Результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [1-12]. Работы [5,9] выполнены и опубликованы диссертантом лично. В [1-2] исследования, обработка и анализ результатов проведены совместно с соавтором. В работах [3,4,6-8,10-12] исследования, обработка результатов проведены диссертантом, анализ осуществлялся совместно с соавторами.
6 Апробация работы. По теме исследований сделаны доклады на «Гагаринских научных; чтениях» (Москва, 2000), Международной конференции студентов и молодых; ученых "Актуальные проблемы современной науки" (Самара 2001), летней школе «Актуальные проблемы механики» (С. Петербург, 2002, 2004); конференции молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах» (Пермь, 2002), XIII Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2003), Пермском городском гидродинамическом семинаре имени Г.З. Гершуни и Е.М. Жуховицкого. Содержание и структура работы
Диссертация состоит из введения, в котором дан краткий обзор литературы по теме исследования и определена цель работы, трех глав, содержащих результаты исследований, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 120 страниц с рисунками (67) и списком литературы (75 наименований).
