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

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 18 июля, печатный экземпляр отправим 22 июля.

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: 05.07.2020).



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, лазерное излучение, учет конвекции, сохранение энергии, значение параметров, динамик концентрации, световое поле, пунктирная линия, математическая постановка.


Похожие статьи

Исследование генерации второй гармоники твердотельного лазера...

Одним из таких результатов является генерация гармоники лазерного излучения.

для первой и второй гармоник излучения. С квантовой точки зрения оно представляет собой закон сохранения импульса для

Пунктирные эллипсы — сечения поверхностей показателей...

Исследование и моделирование спектров излучения газового...

В данной работе рассматриваются исследование плазмы газового разряда и её параметров, представления об излучении плазмы, методах диагностики и написание программного кода для моделирования спектров излучения газоразрядной плазмы.

Определение параметров плазмы по сравнительному анализу...

и плотности энергии излучения (сплошная линия) с аппроксимационными.

линия поглощения, спектральный коэффициент поглощения, интенсивность излучения, спектр

Известно, что регистрация и идентификация масс-зарядовых спектров лазерной плазмы...

Задача определения распределения электрического поля...

В данной работе ставится задача определения распределения электрического поля и концентрации в изотропной проводящей среде, находящейся внутри плоского канала постоянного сечения, верхняя и нижняя стенки которого частично являются электродами, а...

Численное моделирование трехмерных турбулентных струй...

Из параметров плотности или скорости только эксперимент или хорошо обоснованная математическая модель может показать

На рис. 3 и 4 соответственно изображены линии максимальных значений температуры (сплошная линия при mu =0,164, пунктирная линия...

Оптодинамические эффекты в системах связанных плазмонных...

Лазерное излучение высокой интенсивности в импульсных полях пикосекундной длительности порождает светоиндуцированные оптические

Пунктирная линия показывает температуру плавления частиц. Из рис. 1 видно, что в диапазоне τ = 10−11–10−10 c максимальная...

Применение методов обработки видеоданных для анализа...

Для регистрации динамики поверхности расплава в процессе лазерного сплавления

Схема проведения измерений приведена на рисунке 1. Использовалась экспериментальная

металлорежущий инструмент, лазерная обработка, лазерное излучение, фазовый переход...

Определение физических параметров радиационных процессов...

Линии Брилюэна по отношение линии Стокса интенсивнее, но имеет слабое спектральное смешение. Это смешение происходить из-за акустического колебания кристаллической решетки и даёт информации о механическом напряжение. Лазерное или рентгеновское излучение при...

Анализ возможностей организации связи в полевом районе...

- обеспечить одновременно создание дешевых линий связи; - до минимума сократить сроки и затраты на проектирование [2]. Ввиду всех перечисленных особенностей оптических линий связи по атмосферному каналу, их применение для связи между объектами полевого района...

Похожие статьи

Исследование генерации второй гармоники твердотельного лазера...

Одним из таких результатов является генерация гармоники лазерного излучения.

для первой и второй гармоник излучения. С квантовой точки зрения оно представляет собой закон сохранения импульса для

Пунктирные эллипсы — сечения поверхностей показателей...

Исследование и моделирование спектров излучения газового...

В данной работе рассматриваются исследование плазмы газового разряда и её параметров, представления об излучении плазмы, методах диагностики и написание программного кода для моделирования спектров излучения газоразрядной плазмы.

Определение параметров плазмы по сравнительному анализу...

и плотности энергии излучения (сплошная линия) с аппроксимационными.

линия поглощения, спектральный коэффициент поглощения, интенсивность излучения, спектр

Известно, что регистрация и идентификация масс-зарядовых спектров лазерной плазмы...

Задача определения распределения электрического поля...

В данной работе ставится задача определения распределения электрического поля и концентрации в изотропной проводящей среде, находящейся внутри плоского канала постоянного сечения, верхняя и нижняя стенки которого частично являются электродами, а...

Численное моделирование трехмерных турбулентных струй...

Из параметров плотности или скорости только эксперимент или хорошо обоснованная математическая модель может показать

На рис. 3 и 4 соответственно изображены линии максимальных значений температуры (сплошная линия при mu =0,164, пунктирная линия...

Оптодинамические эффекты в системах связанных плазмонных...

Лазерное излучение высокой интенсивности в импульсных полях пикосекундной длительности порождает светоиндуцированные оптические

Пунктирная линия показывает температуру плавления частиц. Из рис. 1 видно, что в диапазоне τ = 10−11–10−10 c максимальная...

Применение методов обработки видеоданных для анализа...

Для регистрации динамики поверхности расплава в процессе лазерного сплавления

Схема проведения измерений приведена на рисунке 1. Использовалась экспериментальная

металлорежущий инструмент, лазерная обработка, лазерное излучение, фазовый переход...

Определение физических параметров радиационных процессов...

Линии Брилюэна по отношение линии Стокса интенсивнее, но имеет слабое спектральное смешение. Это смешение происходить из-за акустического колебания кристаллической решетки и даёт информации о механическом напряжение. Лазерное или рентгеновское излучение при...

Анализ возможностей организации связи в полевом районе...

- обеспечить одновременно создание дешевых линий связи; - до минимума сократить сроки и затраты на проектирование [2]. Ввиду всех перечисленных особенностей оптических линий связи по атмосферному каналу, их применение для связи между объектами полевого района...

Задать вопрос