Численное моделирование процессов тепломассопереноса в наножидкости, находящейся под воздействием светового поля | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 4 января, печатный экземпляр отправим 8 января.

Опубликовать статью в журнале

Библиографическое описание:

Манжула, И. С. Численное моделирование процессов тепломассопереноса в наножидкости, находящейся под воздействием светового поля / И. С. Манжула. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 46.1 (232.1). — С. 73-76. — URL: https://moluch.ru/archive/232/54007/ (дата обращения: 23.12.2024).



Наряду с исследованием и изучением тепловых процессов, сегодня, благодаря стремительному прогрессу в области нанотехнологий, активно происходит изучение физических свойств и характеристик коллоидных суспензий, находящихся как в статическом состоянии, так и при различных нагрузках, включая тепловые. Данная тематика актуальна, и любые продвижения в исследованиях характерны не только новыми теоретическими познаниями, но и зачастую несут в себе значения прикладного характера.

Коллоидные суспензии или, как сейчас их принято называть, наножидкости, широко применяются в различных сферах нанотехнологии. Например, их используют в химических процессах (катализе), при создании новых лекарств, смазочных материалов и т.д.

Наножидкости участвуют в создании эффективных охлаждающих систем и управления большими тепловыми потоками. Они характеризуются особыми свойствами переноса. Существуют феноменологические подходы при описании процессов переноса в таких отрытых системах как наночастицы + жидкость + лазерное излучение, основанные на первых принципах: законах сохранения энергии и массы. Решение подобной системы балансных уравнений, содержащих конкретные теплофизические и оптические параметры, даёт возможность исследовать динамику концентрации наночастиц, определить температурные поля и изучить нелинейные оптические свойства наножидкости. Однако, упомянутая система уравнений слабо исследовалась аналитически и численно, кроме того недостаточно изучены эффекты самовоздействия световых полей в наножидкости на фоне зависимости коэффициента поглощения излучения от концентрации частиц, а также вклад термодиффузионных и электрострикционных механизмов оптической нелинейности, практически не рассматривались вопросы формирования диссипативных структур и процессы распространения концентрационных волн переключения применительно к упомянутым выше открытым системам.

Анализируя все вышесказанное на данном этапе, можно сформулировать цель научного исследования, по результатам которого и была написана данная работа: теоретическое исследования динамики поведения наночастиц в наножидкости, используя методы математического моделирования процессов тепломассопереноса.

В качестве объекта исследования выступила: жидкофазная среда с наночастицами, находящаяся под воздействием лазерного излучения, конкретнее, в качестве наножидкости выступила дистиллированная вода с частицами латекса.

Система уравнений, основанная на законах сохранения энергии и массы, описывающая эти процессы, была представлена в работах авторов, однако, для полного понимания картины происходящих физических процессов, описывающих эволюцию наночастиц в жидкости, находящейся под воздействием светового поля без учёта конвекции, было получено дифференциальное уравнение в частных производных (1) с начально краевыми условиями (2) и (3):

(1)

(2)

(3)

Заметим, что уравнение (1) записано таким образом, чтобы в дальнейшем можно было выделить вклады в динамику концентрации от термодиффузии и электрострикции (второе и третье слагаемые соответственно в правой части уравнения).

Численные оценки коэффициентов в краевом условии (3) показывают, что двумя последними слагаемыми можно пренебречь. В этом случае краевые условия становятся однородными:

(4)

Суммируя все вышесказанное, можно записать математическую постановку для описания эволюция наночастиц в жидкости, находящейся под воздействием светового поля без учёта конвекции:

(5)

с начальными и краевыми условиями

(6)

На следующем этапе, математическая модель (5) – (6) при помощи метода конечных разностей была сведена к системе линейных алгебраических уравнений для решения которой был реализован численный метод, при помощи средств высокоуровневого языка программирования C++. Позже на основе рассчитанных данных были построены различные графики при помощи пакета прикладных программ для решения задач технических вычислений Matlab.

Исходя из математической постановки (5) – (6) было принято решение проводить численный эксперимент при фиксированном параметре характеризующем зависимость коэффициента теплопроводности от концентрации, однако варьировать показателем , отвечающим за вклад в конценрационный поток от электрострикции, для исследования его вклада в процесс протекания физических процессов тепломассопереноса.

Например, на рисунке 1 изображены зависимости решения от времени при фиксированных пространственных координатах, при - сплошная линия, и при - пунктирная линия при . Для наглядности и более детального исследования, приведены графики зависимости решения от времени при фиксированных пространственных координатах при и при .

Рисунок 1 – Полученные зависимости решения от времени при следующих значениях параметров Сплошной линии соответствует , пунктирной - , а прерывистой – .

Рисунок 2 – Полученные зависимости решения от времени при следующих значениях параметров Сплошной линии соответствует , пунктирной - , а прерывистой – .

Графики, изображенные на рисунках 1 – 2, позволяют сделать следующие выводы:

  1. Учёт параметра m приводит к уменьшению со временем величины концентрации частиц в различных точках пространства.
  2. Скорость этого убывания существенно зависит от знака этого параметра и расстояния от начала координат.

На следующем этапе были построены графики зависимости решений от пространственных координат при фиксированной переменной времени. Для выявления визуальных отличий и более детального изучения, было принято решение построить графики, прибегая к более мелкому масштабированию (рисунок 3).

Рисунок 3 - Зависимости решений от координат (t=0.02), полученные при m= 0 – пунктирная линия, m= 0,1 – прерывистая линия и m=-0.1 – сплошная линия,

Далее, для более детального представления физических процессов, на основе полученных численных результатов, была построена поверхность, изображенная на рисунке 4.

Рисунок 4 – Графическая зависимость решения от пространственной переменной и переменной времени при

На основе всего вышеописанного можно сделать следующие выводы:

  1. Если при изучении процессов тепломассопереноса, происходящих в наножидкости, находящейся под воздействием лазерного облучения с гауссовым профилем интенсивности пренебречь конвекцией, то в рамках линейного приближения по концентрации с течением времени наблюдается «расплывание» изначальной кривой распределения интенсивности. Заметим, что этот результат качественно отличается от выводов, полученных в работе. Мы полагаем, что этот факт связан с использованием в этой работе приближения очень малых возмущений концентрации, наш подход свободен от этого ограничения.
  2. Благодаря численному эксперименту была выявлена значимая роль электрострикционного эффекта в переходном режиме динамики наночастиц. Работоспособность и точность предложенного метода проводилась на ряде численных экспериментов.
  3. Разработанные методы и представленные результаты работы могут быть полезны специалистам в сфере теплоснабжения, а также другим исследователям подобной тематики.

Литература:

  1. Рудяк В. Я., Белкин А. А., Томилина Е. А., О коэффициенте теплопроводности наножидкостей, Письма в ЖТФ, 36:14 (2010), 49
  2. Виноградова П.В., Ливашвили А.И., Манжула И.С., Моделирование процессов тепломассопереноса в наножидкости // Хабаровск: Тихоокеанский государственный университет, 2017, с. 23 – 27.
  3. Виноградова П.В., Ливашвили А.И., Манжула И.С., Численное моделирование процесса термодиффузии в наножидкости // Хабаровск: Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 2017, с. 275 – 279.
Основные термины (генерируются автоматически): сплошная линия, рисунок, динамик концентрации, значение параметров, лазерное излучение, математическая постановка, пунктирная линия, световое поле, сохранение энергии, учет конвекции.


Похожие статьи

Оптодинамические эффекты в системах связанных плазмонных наночастиц и их проявление в спектрах плазмонного поглощения

Сенсорные свойства и диффузия газов в пористых нанокомпозитных слоях на основе полупроводниковых оксидов металлов

Численное моделирование трехмерных турбулентных струй реагирующих газов

Численное моделирование трехмерных турбулентных струй реагирующих газов

О возможности наблюдения квантово-размерных эффектов в тонких пленках широкозонных полупроводниковых металлооксидов

Численное моделирование трехмерных турбулентных струй реагирующих газов, вытекающих из сопла прямоугольной формы, на основе K-e-модели турбулентности

Анализ уравнения, описывающего динамическое деформирование в слое микроразрушенной среды

Определение физических параметров радиационных процессов в оптических волокнах

Имитационное моделирование процесса теплопереноса с учетом структурного перехода в политетрафторэтилене

Исследование наноструктурированных материалов и химических реакций методом индикатрис светорассеяния

Похожие статьи

Оптодинамические эффекты в системах связанных плазмонных наночастиц и их проявление в спектрах плазмонного поглощения

Сенсорные свойства и диффузия газов в пористых нанокомпозитных слоях на основе полупроводниковых оксидов металлов

Численное моделирование трехмерных турбулентных струй реагирующих газов

Численное моделирование трехмерных турбулентных струй реагирующих газов

О возможности наблюдения квантово-размерных эффектов в тонких пленках широкозонных полупроводниковых металлооксидов

Численное моделирование трехмерных турбулентных струй реагирующих газов, вытекающих из сопла прямоугольной формы, на основе K-e-модели турбулентности

Анализ уравнения, описывающего динамическое деформирование в слое микроразрушенной среды

Определение физических параметров радиационных процессов в оптических волокнах

Имитационное моделирование процесса теплопереноса с учетом структурного перехода в политетрафторэтилене

Исследование наноструктурированных материалов и химических реакций методом индикатрис светорассеяния

Задать вопрос