МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ТОНКОГО СЛОЯ ЖИДКОСТИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОВЕРХНОСТНЫХ СИЛ
|
Основные сокращения и обозначения 4
Введение 6
Глава I. Математические модели движения тонкого слоя жидкости и
некоторые методы их исследования 10
§ 1.1. Моделирование расходящихся течений на поверхности жидкости ..10
§ 1.2. Экспериментальные исследования расходящихся течений на поверхности жидкости 17
§ 1.3. Анализ возможности использования метода эталонных уравнений при моделировании гидродинамических систем 18
§ 1.4. Постановка задач исследования 33
Глава II. Разработка аналитического метода моделирования движения жидкости 36
§ 2.1. Основные направления модификации метода эталонных уравнений... 36
§ 2.2. Операторное представление метода эталонных уравнений 38
§ 2.3. Анализ нестационарных систем в операторном представлении 42
§ 2.4. Общие требования, накладываемые на эталонную систему 43
§ 2.5. Алгоритм практической реализации ММЭУ 44
§ 2.6. Использование ММЭУ при исследовании гидродинамических процессов 47
§ 2.7. Анализ некоторых частных случаев гидродинамических систем 51
§ 2.8. Апробация модифицированного метода эталонных уравнений 54
Глава III. Исследование движения тонкого слоя обычной жидкости 61
§ 3.1. Построение математической модели 61
§ 3.2. Создание эталонной математической модели 65
§ 3.3. Решение уравнений движения жидкости в эталонной системе 67
§ 3.4. Анализ краевых условий в эталонной системе внутри и вне «ямки»... 71
§ 3.5. Анализ краевых условий на границе «ямки» 75
§ 3.6. Анализ распределения ПАВ в поверхностном слое 76
§ 3.7. Определение соотношений для исследуемой системы 79
§ 3.8. Численный анализ полученных результатов 82
Глава IV. Математическое моделирование анизотропных течений на примере движения магнитной жидкости 88
§ 4.1. Общий анализ влияния магнитного поля на расходящиеся течения магнитной жидкости 88
§ 4.2. Математическая модель движения тонкого слоя магнитной жидкости 91
§ 4.3. Предварительное преобразование соотношений для исследуемой и
моделирующей систем 96
§ 4.4. Определение общего вида выражения для скорости жидкости 99
§ 4.5. Анализ полученных результатов 101
Заключение 106
Список литературы 108
Приложение 1 О возможности разработки «динамических методов» определения коэффициента поверхностного натяжения магнитной жидкости 124
Приложение 2 Некоторые классические задачи движения жидкости 127
Введение 6
Глава I. Математические модели движения тонкого слоя жидкости и
некоторые методы их исследования 10
§ 1.1. Моделирование расходящихся течений на поверхности жидкости ..10
§ 1.2. Экспериментальные исследования расходящихся течений на поверхности жидкости 17
§ 1.3. Анализ возможности использования метода эталонных уравнений при моделировании гидродинамических систем 18
§ 1.4. Постановка задач исследования 33
Глава II. Разработка аналитического метода моделирования движения жидкости 36
§ 2.1. Основные направления модификации метода эталонных уравнений... 36
§ 2.2. Операторное представление метода эталонных уравнений 38
§ 2.3. Анализ нестационарных систем в операторном представлении 42
§ 2.4. Общие требования, накладываемые на эталонную систему 43
§ 2.5. Алгоритм практической реализации ММЭУ 44
§ 2.6. Использование ММЭУ при исследовании гидродинамических процессов 47
§ 2.7. Анализ некоторых частных случаев гидродинамических систем 51
§ 2.8. Апробация модифицированного метода эталонных уравнений 54
Глава III. Исследование движения тонкого слоя обычной жидкости 61
§ 3.1. Построение математической модели 61
§ 3.2. Создание эталонной математической модели 65
§ 3.3. Решение уравнений движения жидкости в эталонной системе 67
§ 3.4. Анализ краевых условий в эталонной системе внутри и вне «ямки»... 71
§ 3.5. Анализ краевых условий на границе «ямки» 75
§ 3.6. Анализ распределения ПАВ в поверхностном слое 76
§ 3.7. Определение соотношений для исследуемой системы 79
§ 3.8. Численный анализ полученных результатов 82
Глава IV. Математическое моделирование анизотропных течений на примере движения магнитной жидкости 88
§ 4.1. Общий анализ влияния магнитного поля на расходящиеся течения магнитной жидкости 88
§ 4.2. Математическая модель движения тонкого слоя магнитной жидкости 91
§ 4.3. Предварительное преобразование соотношений для исследуемой и
моделирующей систем 96
§ 4.4. Определение общего вида выражения для скорости жидкости 99
§ 4.5. Анализ полученных результатов 101
Заключение 106
Список литературы 108
Приложение 1 О возможности разработки «динамических методов» определения коэффициента поверхностного натяжения магнитной жидкости 124
Приложение 2 Некоторые классические задачи движения жидкости 127
В последние несколько лет значительно усилился интерес исследователей к расходящимся течениям, вызванным поверхностными силами. Это объясняется важной ролью таких течений в биологических системах [128], возможностью использования результатов исследований в медицине [140] и промышленности.
В ряде экспериментальных [128, 170] и теоретических [147, 162] работ показано, что при точечном нанесении на свободную поверхность жидкости поверхностно-активного вещества (ПАВ), вследствие эффекта Маран- гони, возникает осесимметричное течение жидкой подложки приводящее к ее деформации и появлению некоторой устойчивой области в форме «ямки» (рис. 1). Подобная деформация свободной поверхности жидкости возникает и при ее локальном нагреве [117, 118, 161, 163]. В некоторых случаях деформация свобод¬ной поверхности столь существенна, что приводит к образованию сухого участка («сухого пятна»).
Существующие математические модели движения тонкого слоя жидкости под действием поверхностных сил [117, 147, 161-163] разработаны для движения пленки толщиной порядка 0,01 - 1 мкм. В этом приближении не учитываются силы тяжести, а иногда и вертикальное движение жидкости.
Экспериментально была обнаружена деформация [170] и образование сухих пятен в слоях жидкости значительно большей толщины, составляющей 1 - 2,5 мм. Эти процессы не могут удовлетворительно описываться существующивающей влияние силы тяжести, возможность движения жидкости в вертикаль¬ном направлении и деформацию свободной поверхности. Такая модель будет иметь нелинейный характер, поскольку она описывает гидродинамические процессы в системе со свободной границей.
Нелинейность математической модели и сложность протекающих физико-химических процессов требуют разработки специальных методов ее исследования. Нами предложено применить известный метод математического моделирования - метод эталонных уравнений [21, 35, 47]. Существенным достоинством этого метода является возможность [47] моделирования многомерных систем, не допускающих разделения переменных, системами, допускающими такое разделение. Это создает предпосылки к его использованию при исследовании математических моделей нелинейных систем.
Основная идея метода заключается в выражении искомого решения дифференциального уравнения через известное (эталонное) решение. Классический метод эталонных уравнений разработан для решения обыкновенных дифференциальных уравнений, их систем, а также дифференциальных уравнений в частных производных со скалярным аргументом. Этот метод успешно применяется в квантовой теории и теории распространения волн. Однако непосредственное использование его в гидродинамике невозможно, поскольку уравнения движения жидкости являются векторными.
По этой причине использование метода эталонных уравнений для моделирования движения жидкости требует его предварительной модификации.
С использованием указанных выше методов осуществлена модификация известного метода эталонных уравнений для исследования некоторых гидродинамических систем, его апробация при решении классических задач движения жидкости и применение для изучения движения тонкого слоя жидкости под действием поверхностных сил.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1. Известный метод эталонных уравнений модифицирован применительно к моделированию гидродинамических процессов и апробирован при решении известных задач течения жидкости.
2. С использованием модифицированного метода эталонных уравнений получено приближенное решение нелинейной задачи движения тонкого слоя жидкости конечной толщины.
3. Теоретически исследована динамика роста экспериментально обнаруженных ранее сухих пятен, образующихся при растекании тонкого слоя жидкости конечной толщины, и определен максимальный радиус этих образований. Показана зависимость их радиуса от толщины слоя жидкости, количества наносимого на ее поверхность ПАВ, коэффициентов поверхностного натяжения жидкости и ПАВ.
4. На примере движения тонкого слоя магнитной жидкости под действием поверхностных сил теоретически исследовано анизотропное течение и показа¬но, что общий характер течения в этом случае сходен с движением обычной жидкости, а образующиеся сухие участки при некоторых условиях принимают эллиптическую форму.
Практическая ценность полученных в работе результатов заключается в следующем:
1. Предложенный модифицированный метод эталонных уравнений может быть применен к моделированию процессов диффузии и теплопроводности, уравнения для которых аналогичны уравнению Навье-Стокса [20].
2. Имеется принципиальная возможность использования разработанного метода при решении нелинейных уравнений параболического типа [82] (уравнение Зельдовича, уравнение Колмогорова-Петровского-Пискунова), описывающих распространение пламени, рост биологических популяций и т.д.
3. Результаты моделирования движения тонкого слоя жидкости конечной толщины могут использоваться в медицине при разработке новых способов доставки жидких лекарственных препаратов [140].
4. Результаты исследования анизотропных течений могут использоваться для разработки динамических методов исследования характеристик анизотропных сред, в частности, поверхностного натяжения магнитных жидкостей.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Математическая модель движения тонкого слоя жидкости под действием поверхностных сил, учитывающая влияние гравитационных сил и деформацию свободной поверхности.
2. Модифицированный метод эталонных уравнений (ММЭУ) для моделирования гидродинамических систем и его апробация.
3. Результаты исследования математической модели движения тонкого слоя жидкости: собственные функции скорости, анализ условий на границе, пере¬ход от эталонной системы к исследуемой.
4. Построенная на основе полученных выражений динамическая компьютерная модель движения тонкого слоя жидкости. Выводы о характере течения жид-кости, размерах образующихся сухих участков, зависимости характера протекания процесса от внешних факторов. Сравнение полученных результатов с данными независимого эксперимента.
5. Исследование анизотропных течений на примере движения тонкого слоя магнитной жидкости во внешнем однородном горизонтальном магнитном поле: математическая модель, анализ частных случаев и результаты исследования модели.
В ряде экспериментальных [128, 170] и теоретических [147, 162] работ показано, что при точечном нанесении на свободную поверхность жидкости поверхностно-активного вещества (ПАВ), вследствие эффекта Маран- гони, возникает осесимметричное течение жидкой подложки приводящее к ее деформации и появлению некоторой устойчивой области в форме «ямки» (рис. 1). Подобная деформация свободной поверхности жидкости возникает и при ее локальном нагреве [117, 118, 161, 163]. В некоторых случаях деформация свобод¬ной поверхности столь существенна, что приводит к образованию сухого участка («сухого пятна»).
Существующие математические модели движения тонкого слоя жидкости под действием поверхностных сил [117, 147, 161-163] разработаны для движения пленки толщиной порядка 0,01 - 1 мкм. В этом приближении не учитываются силы тяжести, а иногда и вертикальное движение жидкости.
Экспериментально была обнаружена деформация [170] и образование сухих пятен в слоях жидкости значительно большей толщины, составляющей 1 - 2,5 мм. Эти процессы не могут удовлетворительно описываться существующивающей влияние силы тяжести, возможность движения жидкости в вертикаль¬ном направлении и деформацию свободной поверхности. Такая модель будет иметь нелинейный характер, поскольку она описывает гидродинамические процессы в системе со свободной границей.
Нелинейность математической модели и сложность протекающих физико-химических процессов требуют разработки специальных методов ее исследования. Нами предложено применить известный метод математического моделирования - метод эталонных уравнений [21, 35, 47]. Существенным достоинством этого метода является возможность [47] моделирования многомерных систем, не допускающих разделения переменных, системами, допускающими такое разделение. Это создает предпосылки к его использованию при исследовании математических моделей нелинейных систем.
Основная идея метода заключается в выражении искомого решения дифференциального уравнения через известное (эталонное) решение. Классический метод эталонных уравнений разработан для решения обыкновенных дифференциальных уравнений, их систем, а также дифференциальных уравнений в частных производных со скалярным аргументом. Этот метод успешно применяется в квантовой теории и теории распространения волн. Однако непосредственное использование его в гидродинамике невозможно, поскольку уравнения движения жидкости являются векторными.
По этой причине использование метода эталонных уравнений для моделирования движения жидкости требует его предварительной модификации.
С использованием указанных выше методов осуществлена модификация известного метода эталонных уравнений для исследования некоторых гидродинамических систем, его апробация при решении классических задач движения жидкости и применение для изучения движения тонкого слоя жидкости под действием поверхностных сил.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1. Известный метод эталонных уравнений модифицирован применительно к моделированию гидродинамических процессов и апробирован при решении известных задач течения жидкости.
2. С использованием модифицированного метода эталонных уравнений получено приближенное решение нелинейной задачи движения тонкого слоя жидкости конечной толщины.
3. Теоретически исследована динамика роста экспериментально обнаруженных ранее сухих пятен, образующихся при растекании тонкого слоя жидкости конечной толщины, и определен максимальный радиус этих образований. Показана зависимость их радиуса от толщины слоя жидкости, количества наносимого на ее поверхность ПАВ, коэффициентов поверхностного натяжения жидкости и ПАВ.
4. На примере движения тонкого слоя магнитной жидкости под действием поверхностных сил теоретически исследовано анизотропное течение и показа¬но, что общий характер течения в этом случае сходен с движением обычной жидкости, а образующиеся сухие участки при некоторых условиях принимают эллиптическую форму.
Практическая ценность полученных в работе результатов заключается в следующем:
1. Предложенный модифицированный метод эталонных уравнений может быть применен к моделированию процессов диффузии и теплопроводности, уравнения для которых аналогичны уравнению Навье-Стокса [20].
2. Имеется принципиальная возможность использования разработанного метода при решении нелинейных уравнений параболического типа [82] (уравнение Зельдовича, уравнение Колмогорова-Петровского-Пискунова), описывающих распространение пламени, рост биологических популяций и т.д.
3. Результаты моделирования движения тонкого слоя жидкости конечной толщины могут использоваться в медицине при разработке новых способов доставки жидких лекарственных препаратов [140].
4. Результаты исследования анизотропных течений могут использоваться для разработки динамических методов исследования характеристик анизотропных сред, в частности, поверхностного натяжения магнитных жидкостей.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Математическая модель движения тонкого слоя жидкости под действием поверхностных сил, учитывающая влияние гравитационных сил и деформацию свободной поверхности.
2. Модифицированный метод эталонных уравнений (ММЭУ) для моделирования гидродинамических систем и его апробация.
3. Результаты исследования математической модели движения тонкого слоя жидкости: собственные функции скорости, анализ условий на границе, пере¬ход от эталонной системы к исследуемой.
4. Построенная на основе полученных выражений динамическая компьютерная модель движения тонкого слоя жидкости. Выводы о характере течения жид-кости, размерах образующихся сухих участков, зависимости характера протекания процесса от внешних факторов. Сравнение полученных результатов с данными независимого эксперимента.
5. Исследование анизотропных течений на примере движения тонкого слоя магнитной жидкости во внешнем однородном горизонтальном магнитном поле: математическая модель, анализ частных случаев и результаты исследования модели.
В результате проведенного в диссертации моделирования движения тон-кого слоя жидкости под действием поверхностных сил получены следующие основные научные и практические результаты.
1. Исследована математическая модель движения тонкого слоя жидкости конечной толщины при нанесении на его поверхность капли ПАВ, в которой одновременно учтены действие сил тяжести, многомерность течения и де-формация свободной поверхности жидкости.
2. Известный метод эталонных уравнений модифицирован для решения уравнений гидродинамики.
3. Решена задача Штурма-Лиувилля для уравнений движения жидкости под действием поверхностных сил в эталонной и исследуемой системах. Найдены выражения собственных функций радиальной и вертикальной компонент скорости движения жидкости.
4. Показано, что при движении тонкого слоя жидкости вследствие нанесения ПАВ возникает деформация свободной поверхности вплоть до образования сухого участка. Деформация поверхности и, соответственно, размер образующейся «ямки» увеличиваются с уменьшением толщины подложки, рос¬том разности коэффициентов поверхностного натяжения жидкой подложки и ПАВ и зависит от количества поверхностно-активного вещества.
5. Показано, что наиболее интенсивное движение жидкой подложки происходит вблизи границы области с деформирующейся поверхностью. Внутри нее в приповерхностных слоях возникают вихревые течения. Основная масса жидкости при этом перетекает из внутренней области «ямки» через ее границу во внешнее пространство.
6. Исследовано анизотропное течение: движение тонкого слоя магнитной жид-кости под действием поверхностных сил во внешнем однородном горизонтальном магнитном поле. Показано, что образующиеся сухие пятна принимают форму эллипса, а общий характер движения магнитной жидкости в этом случае во многом совпадает с характером аналогичного изотропного течения.
1. Исследована математическая модель движения тонкого слоя жидкости конечной толщины при нанесении на его поверхность капли ПАВ, в которой одновременно учтены действие сил тяжести, многомерность течения и де-формация свободной поверхности жидкости.
2. Известный метод эталонных уравнений модифицирован для решения уравнений гидродинамики.
3. Решена задача Штурма-Лиувилля для уравнений движения жидкости под действием поверхностных сил в эталонной и исследуемой системах. Найдены выражения собственных функций радиальной и вертикальной компонент скорости движения жидкости.
4. Показано, что при движении тонкого слоя жидкости вследствие нанесения ПАВ возникает деформация свободной поверхности вплоть до образования сухого участка. Деформация поверхности и, соответственно, размер образующейся «ямки» увеличиваются с уменьшением толщины подложки, рос¬том разности коэффициентов поверхностного натяжения жидкой подложки и ПАВ и зависит от количества поверхностно-активного вещества.
5. Показано, что наиболее интенсивное движение жидкой подложки происходит вблизи границы области с деформирующейся поверхностью. Внутри нее в приповерхностных слоях возникают вихревые течения. Основная масса жидкости при этом перетекает из внутренней области «ямки» через ее границу во внешнее пространство.
6. Исследовано анизотропное течение: движение тонкого слоя магнитной жид-кости под действием поверхностных сил во внешнем однородном горизонтальном магнитном поле. Показано, что образующиеся сухие пятна принимают форму эллипса, а общий характер движения магнитной жидкости в этом случае во многом совпадает с характером аналогичного изотропного течения.
Подобные работы
- ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОЛЛОИДНЫХ МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ И МАГНИТНЫМ ПОЛЯМИ
Диссертация , физика. Язык работы: Русский. Цена: 500 р. Год сдачи: 2004 - Анализ закономерностей неизотермических течений в сложных трубопроводах в
режимах ламинарно-турбулентных переходов, происходящих вследствие пространственной деформации углеводородных сред
Магистерская диссертация, технология производства продукции. Язык работы: Русский. Цена: 6400 р. Год сдачи: 2017 - ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНВЕКТИВНО-РАДИАЦИОННОГО ТЕПЛООБМЕНА В ЗАМКНУТОЙ ПОЛОСТИ В ПАКЕТЕ OPENFOAM
Магистерская диссертация, механика. Язык работы: Русский. Цена: 4875 р. Год сдачи: 2025



