РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРО- И НАНОРАЗМЕРНЫХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ НЕУСТОЙЧИВОСТЕЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Аннотация
В работе приводится анализ теоретических основ формирования микро- и наноразмерных гидродинамических неустойчивостей. В традиционных и современных технологиях встречаются развивающиеся на микро- и нанорасстояниях процессы, на которые раньше не могли обратить внимание. Выявление новых закономерностей и определение диапазона параметров, при которых они реализуются, определяет научную значимость и фундаментальность исследований. Рассмотрены конкретные физические ситуации, где реализуются или могут проявиться неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. Практическая значимость поставленных задач заключается в создании принципиально новых технологий на базе полученных знаний. Описаны решенные задачи.
Об авторе
Владимир Дмитриевич Сарычев
Сибирский государственный индустриальный университет
Россия
Россия
к.т.н., доцент кафедры естественнонаучных дисциплин имени
профессора В.М. Финкеля
Список литературы
1. Eggers J., Villermaux J. Physics of liquid jets // Report on Progress in Physics. 2008. Vol. 71. Article 036601.
2. Taylor G.I. Generation of ripples by wind blow-ing over a viscous liquid. In: The Scientific Pa-pers of Sir Geoffrey Ingram Taylor. Bachelor G.K. ed. 1940. Vol. III. P. 244–254. Cambridge University Press, 1963.
3. Li X.И., Tankin R.S. On the temporal instability of a two-dimensional viscous liquid sheet // Journal of Fluid Mechanics. 1991. Vol. 226. P. 425–443.
4. Dasgupta D., Nath S., Bhanja D. A study on dual role of viscosity on the stability of a viscous pla-nar liquid sheet surrounded by inviscid gas streams of equal velocities, and prediction of re-sulting droplet distribution using maximum en-tropy formulation // Physics of Fluids. 2019. Vol. 31 (7). Article 074103.
5. Joseph D.D., Funada T., Wang J. Potential Flows of Viscous and Viscoelastic Fluids. Cambridge: Cambridge University Press, 2007. 497 p.
6. Padrino J.C., Joseph D.D., Kim H. Viscous ef-fects on Kelvin-Helmholtz instability in a chan-nel // J. Fluid Mech. 2011. Vol. 680. P. 398–416.
7. Awasthi M.K., Asthana R., Agrawal G.S. Pres-sure Corrections for the Potential Flow Analysis of Kelvin-Helmholtz Instability with Heat and Mass Transfer // Int. J. Heat Mass Transf. 2012. Vol. 55. No. 9-10. P. 2345–2352.
8. Awasthi M.K. Kelvin-Helmholtz instability of viscoelastic liquid-viscous gas interface with heat and mass transfer‖ // International Journal of Thermal Sciences. 2021. Vol. 161. No. 2. Article 106710.
9. Awasthi M.K., Agarwal S. Rayleigh-Taylor in-stability in a spherical configuration: A viscous potential flow approach // Chinese Journal of Physics. 2020. Vol. 68. P. 866–873.
10. Awasthi M.K., Agarwal S. Instability of a radial-ly moving cylindrical surface: a viscous potential flow approach // Journal of Fluids Engineering. 2020. Vol. 142. No. 9. Article 09450.
11. Awasthi M.K. Rayleigh-Taylor instability of swirling annular layer with mass transfer // Jour-nal of Fluids Engineering. 2019. Vol. 141 (7). Article 071202.
12. Awasthi M.K., Sarychev V.D., Nevskii S.A., Kuznetsov M.A., Solodsky S.A. Kelvin-Helmholtz instability of swirling annular layer with heat and mass transfer // Journal of Ad-vanced Research in Dynamical and Control Sys-tems. 2019. Vol. 11 (5). P. 86–96.
13. Han Y. Kelvin-Helmholtz instability of a con-fined nano-liquid sheet with the effects of heat and mass transfer and Marangoni convection // Atomization and Sprays. 2022. Vol. 32. No. 1. P. 73–89.
14. Bilgili S., Ugarte O., Akkerman V. Interplay of Kelvin-Helmholtz instability with acoustics in a viscous potential flow // Phys. Fluids. 2020. Vol. 32. Article 084108.
15. Грановский А.Ю., Сарычев В.Д., Громов В.Е. Модель формирования внутренних нанослоев при сдвиговых течениях материалов // Журнал технической физики. 2013. Т. 83. № 10. С. 155–158.
16. Сарычев В.Д., Грановский А.Ю., Черемушкина Е.В., Громов В.Е. Модель перемешивания слоев, созданных при электровзрывной обработке // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2013. Т. 10. № 4. С. 558–562.
17. Сарычев В.Д., Невский С.А., Коновалов С.В., Грановский А.Ю. Модель образования нано-структур в рельсовой стали при длительной эксплуатации // Математическое моделирование в естественных науках. 2015. Т. 1. С. 394–398.
18. Sarychev V., Nevskii S., Granovskii A., China-khov D. Simulation of Nanoparticles Formation by Mechanism of Kelvin-Helmholtz Instability // Int. J. Nanoparticles Nanotech. 2017. Vol. 3. No. 012. P. 2–10.
19. Сарычев В.Д., Невский С.А., Кормышев В.Е., Юрьев А.А., Громов В.Е. Модель формирова-ния наноструктурных слоев при длительной эксплуатации рельсов // Известия вузов. Чер-ная металлургия. 2020. Т. 63. № 9. С. 699–706.
20. Sarychev V.D., Nevskii S. A., Kuznetsov М. А. et al. Kelvin-Helmholtz Instability of Cylindrical Geometry for Micro-Dimensional Range of Wavelengths // Jordan Journal of Physics. 2022. No. 3. P. 33–47.
21. Куликовский А.Г., Шикина И.С. О влиянии вязкости на устойчивость тангенциального разрыва в несжимаемой жидкости // Вестник Московского университета. 1997. № 6. С. 29–32.
22. Разуменко Л.С., Ткаченко В.И. Неустойчи-вость границы раздела вязких течений // Вестник Харьковского университета. 2005. № 710. C. 72–80.
23. Алиев И.Н., Юрченко С.О., Назарова Е.В. Особенности комбинированной неустойчивости заряженной границы раздела движущихся сред // Инженерно-физический журнал. 2007. Т. 80. № 5. С. 64–69.
24. Алиев И.Н., Юрченко С.О. К вопросу о не-устойчивости границы раздела двух сред ко-нечной толщины // Инженерно-физический журнал. 2007. Т. 80. № 6. C. 127–133.
25. Ширяева С.О., Григорьев А.И., Суханов С.А. О роли вязкости жидкости в реализации не-устойчивости Кельвина-Гельмгольца // Элек-тронная обработка материалов. 2013. Т. 49. С. 56–61.
26. Григорьев А.И., Ширяева С.О. О нахождении аналитических выражений для декрементов в асимптотике маловязкой жидкости // Журнал технической физики. 2013. Т. 83. № 10. С. 18–25.
27. Senecal P.K., Schmidt D.P., Nouar I., Rutland C.J., Reitz R.D., Corradini M.L. Modeling high-speed viscous liquid sheet atomization // Interna-tional Journal of Multiphase Flow. 1999. Vol. 25. P. 1073–1097.
28. Sirignano W.A., Edwards C.F. Fluid Dynamics and Transport of Droplets and Sprays. Cam-bridge University Press, 2010. 462 p.
29. Валиев Р.З., Александров И.В. Нанострукту-рированные материалы, полученные сильной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с.
30. Glezer A.M., Kozlov E.V., Koneva N.A., Popova N.A., Kurzina I.A. Plastic deformation of nanostructured materials. N.Y.: Taylor and Francis Group, 2017. 323 p.
31. Kulagin R., Beygelzimer Y., Ivanisenko Y., Mazilkin A., Straumal B., Hahn H. Instabilities of interfaces between dissimilar metals induced by high pressure torsion // Materials Letters. 2018. Vol. 222. No. 1. P. 172–175.
32. Ivanisenko Yu., Fecht H.J. Microstructure modi-fication in the Surface Layers of Railway Rails and Wheels // Steel tech. 2008. Vol. 3. No. 1. P. 19–23.
33. Baumann G., Fecht H.J., Liebelt S. Formation of white-etching layers on rail treads // Wear. 1996. Vol. 191. P. 133–140.
34. Österle Rooch H., Pyzalla A., Wang L.W., OeS-terle W., Rooch H., Pyzalla A., Wang L., Österle W., Rooch H., Pyzalla A., et al. Investigation of white etching layers on rails by optical microsco-py, electronmicroscopy // X-ray and synchrotron X-ray diffraction. Mater. Sci. Eng. A. 2001. Vol. 303. P. 150–157.
35. Wild Wang L., Hasse B., Wroblewski T., Goe-rigk G., Pyzalla A.E. Microstructure alterations at the surface of a heavily corrugated rail with strong ripple formation // Wear. 2003. Vol. 254. P. 876–883.
36. Zhang H.W., Ohsaki S., Mitao S., Ohnuma M., Hono K. Microstructural investigation of white etching layer on pearlite steel rail // Mater. Sci. Eng. A. 2006. Vol. 421. P. 191–199.
37. Takahashi J., Kawakami K., Ueda M. Atom probe tomography analysis of the white etching layer in a rail track surface // Acta Mater. 2010. Vol. 58. P. 3602–3612.
38. Lojkowski W., Djahanbakhsh M., Bürkle G., Gierlotka S., Zielinski W., Fecht H.J. Nanostruc-ture formation on the surface of railway tracks // Mater. Sci. Eng. A. 2001. Vol. 303. P. 197–208.
39. Ishida M. Rolling contact fatigue (RCF) defects of rails in Japanese railways and its mitigation strategies // Electron. J. Struct. Eng. 2013. Vol. 13. P. 67–74.
40. Steenbergen M., Dollevoet R. On the mechanism of squat formation on train rails. Part I: Origina-tion // Int. J. Fatigue. 2013. Vol. 47. P. 361–372.
41. Pal S., Valente C., Daniel W., Farjoo M. Metal-lurgical and physical understanding of rail squat initiation and propagation // Wear. 2012. Vol. 284-285. P. 30–42.
42. Johnson K.L. Contact mechanics. Cambridge University Press, 1987. 510 p.
43. Рубцов В.Е., Тарасов С.Ю., Колубаев А.В. Одномерная модель неоднородного сдвига при трении скольжения // Физическая мезо-механика. 2012. Т. 15. № 4. С. 103–103.
44. Тарасов С.Ю., Рубцов В.Е., Колубаев А.В., Горбатенко В.В. Анализ микроскопических полей деформации при трении скольжении // Известия вузов. Физика. 2013. Т. 56. № 7-2. С. 350–355.
45. Рубцов В.Е., Тарасов С.Ю., Колубаев А.В. Неоднородность деформации и сдвиговая не-устойчивость материала при трении // Изве-стия вузов. Физика. 2011. № 11-3. Р. 215–220.
46. Ivanov Y.F., Glezer A.M., Sundeev R.V., Kuz-netsov R.V., Gromov V.E., Shliarova Y.A., Semin A.P. Fine structure formation in rails un-der ultra long-term operation // Materials Letters. 2022. Vol. 309. Article 131378.
47. Straumal B.B., Kulagin R., Klinger L., Rabkin E., Straumal P.B., Kogtenkova O.A., Baretzky B. Structure refinement and fragmentation of precipitates under severe plastic deformation // A Review. Materials. 2022. Vol. 15. Article 601.
48. Сарычев В.Д., Невский С.А., Кормышев В.Е., Юрьев А.А., Громов В.Е. Модель формирова-ния наноструктурных слоев при длительной эксплуатации рельсов // Известия вузов. Чер-ная металлургия. 2020. Т. 63. № 9. С. 699 – 706.
49. Barrero A., Loscertales I. Micro- and nanoparti-cles via capillary flows // Annual Review of Flu-id Mechanics. 2007. Vol. 39. No. 1. P. 89–106.
50. Anna S.L. Droplets and bubbles in microfluidic devices // Annu. Rev. Fluid Mech. 2016. Vol. 48. P. 285–309.
51. Gañán-Calvo A.M. Generation of steady liquid micro threads and micron-sized monodisperse sprays in gas streams // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 80. P. 285–288.
52. Gordillo J.M., Pérez-Saborid M., Gañán-Calvo A.M. Linear stability of co-flowing liquid – gas jets // Journal of Fluid Mechanics. 2001. Vol. 448. P. 23–51.
53. Si T., Li F.A., Yin X.I.Y., Yin X.Z. Modes in flow fo-cusing and instability of coaxial liquid-gas jets // J. Fluid Mech. 2009. Vol. 629. P. 1–23.
54. Mu K., Ding H., Si T. Experimental and numeri-cal investigations on interface coupling of co-axial liquid jets in co-flow focusing // Phys. Fluids. 2020. Vol. 32. Article 042103.
55. Mu K., Li G.B., Si T. Instability and interface coupling of coaxial liquid jets in a driving stream // Phys. Fluids. 2020. Vol. 32. Article 092107.
56. Mu K., Qiao R., Si T., X Cheng X., Ding H. In-terfacial instability and transition of jetting and dripping modes in a co-flow focusing process // Phys. Fluids. 2021. Vol. 33. Article 052118.
57. Mu K., Qiao R., Guo J., Yang C., Wu Y., Si T. Parametric study on stability and morphology of liquid cone in flow focusing // International Journal of Multiphase Flow. 2021. Vol. 135. Article 103507.
58. López M., Cabezas M.G., Montanero J.M., Her-rada M.A. On the hydrodynamic focusing for producing microemulsions via tip streaming // J. Fluid Mech. 2022. Vol. 934. A47.
59. 59.Gau C., Shen C.H., Wang Z.B. Peculiar Phe-nomenon of Micro-Free Jet Flow // Physics of Fluids. 2009. Vol. 21. No. 9. Article 092001.
60. Козлов В.В., Грек Г.Р., Литвиненко Ю.А., Козлов Г.В., Литвиненко М.В. Дозвуковые круглая и плоская макро- и микроструи в по-перечном акустическом поле // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2010. Т. 5. № 2. С. 28–42.
61. Kozlov V.V., Grek G.R., Dovgal A.V., Litvinenko Y.A. Stability of Subsonic Jet Flows // Journal of Flow Control, Measurement and Visualization. 2013. Vol. 1. P. 94–101.
62. Kozlov V.V., Grek G.R., Litvinenko Yu.A. Visualization of conventional and combusting subsonic jet instabilities. Dordrecht: Springer International Publishing, 2016. 126 p.
63. Aniskin V.M., Bountin D.A., Maslov A.A., Mironov S.G., Tsyryulnikov I.S. Investigation of stability of a subsonic gas microjet // Zh. Tekh. Fiz. 2012. Vol. 82. No. 2. P. 17–23.
64. Aniskin V.M., Lemanov V.V., Maslov N.A., Mukhin K.A., Terekhov V.I., Sharov K.A. Ex-perimental study of subsonic flow plane mini- and microjets of air // Tech. Phys. Lett. 2015. Vol. 41. P. 26–31.
65. Aniskin V.M., Maslov A.A., Mukhin K.A. Structure of subsonic plane microjets // Microfluidics and Nanofluidics. 2019. Vol. 23 (4). P. 57.
66. Krivokorytov M.S., Golub V.V., Moralev I.A. Development of instability in gas microjets under an acoustic action // Pisma Zh. Tekh. Fiz. 2013. Vol. 39 (18). P. 38–44.
67. Lemanov V.V., Terekhov V.I., Sharov K.A., Shumeiko A.A. Experimental study of sub-merged jets at low Reynolds numbers // Pisma Zh. Tekh. Fiz. 2013. Vol. 39 (9). P. 34–40.
68. Chang C.J., Shen C.H., Gau C. Flow and heat transfer of a micro jet impinging on a heated chip. part i. micro free and impinging jet flow // Nanoscale and Microscale Thermophysical Engi-neering. 2013. Vol. 17 (1). P. 50–68.
69. Xiaobing L., Wei C., Renxia S., Sheng L. Experimental and numerical investigation of a microjet-based cooling system for high power LEDs // Heat Transf. Eng. 2008. Vol. 29 (9). P. 774–781.
70. Hadrys D., Piwnikb J. Welding with microjet cooling as a method of improving, the plastic properties of welds // J. Eng. Phys. Thermophys. 2014. Vol. 87 (5). P. 1170–1176.
71. Rusowicza A., Leszczynski M.J., Grzebieleca A., Laskowski R. Experimental investigation of sin-gle-phase microjet cooling of microelectronics // Arch. Thermodyn. 2015. Vol. 36 (3). P. 139–147.
72. Carpenter J.-B., Baillot F., Blaisot J.-B., Du-mouchel C. Behavior of cylindrical liquid jets evolving in a transverse acoustic field // Physics of Fluids. 2009. Vol. 21. Article 023601.
73. Шевченко А.К., Яковенко С.Н. Численное исследование методов управления потоком и эффектов расщепления в круглой затоп-ленной струе // Теплофизика и аэромеханика. 2021. Т. 28. № 3. С. 379–395.
Рецензия
Для цитирования:
Сарычев В.Д. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРО- И НАНОРАЗМЕРНЫХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ НЕУСТОЙЧИВОСТЕЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2022;(2):29-38.
For citation:
Sarychev V. DEVELOPMENT OF THEORETICAL FOUNDATIONS FOR THE FORMATION OF MICRO- AND NANOSCALE HYDRODYNAMIC INSTABILITIES FOR THE CREATION OF BREAKTHROUGH TECHNOLOGY. Bulletin of the Siberian State Industrial University. 2022;(2):29-38. (In Russ.)
Просмотров:
7
Послать статью по эл. почте 