Максимизация потерь энергии в двухфазных потоках: открытие ученых

Исследователи из Университета Осаки, Университета Токио и RIKEN пролили свет на механизмы, приводящие к локальной максимизации потерь энергии при определенных скоростях вращения в двухфазных газожидкостных потоках, инициируемых роторами. Это открытие имеет фундаментальное значение для энергосбережения и оптимизации процессов в промышленном оборудовании.

Используя суперкомпьютер "SQUID", команда проанализировала детальные данные о движении жидкостей. Было установлено, что пиковое значение крутящего момента обусловлено не только столкновениями ротора с поверхностью жидкости, но и существенным дисбалансом давления. Этот эффект наблюдался в условиях резонанса волн на границе раздела фаз.

Полученные результаты, опубликованные в журнале Multiphase Science and Technology, углубляют понимание сопротивления жидкостей и потерь при перемешивании в устройствах передачи энергии.

Промышленные применения и явления потоков

Двухфазные газожидкостные потоки, приводимые в движение роторами, находят применение в различных отраслях, включая устройства передачи энергии, системы охлаждения и химические перемешивающие устройства. Сложность их течения зависит от скорости вращения и степени заполнения жидкостью, что существенно влияет на производительность и эффективность. Основную долю потерь энергии составляет перемешивание жидкости. Поэтому выяснение механизма и снижение этих потерь являлись давними задачами.

При периодическом вращении тела, вызывающего течение, возникает явление "болтанки", которое приводит к значительным колебаниям границы раздела фаз. Такие "изменчивые во времени" характеристики во время резонанса важны как с точки зрения риска механического отказа, так и энергоэффективности, и были предметом многочисленных исследований.

Недавние исследования показали, что в условиях резонанса крутящий момент (как "усредненная по времени величина") достигает пиковых значений, тем самым максимизируя потери. Несмотря на наблюдение такой локальной максимизации на собственной частоте волн границы раздела фаз, лежащий в основе механизм оставался неясным.

Интеграция экспериментов и численного моделирования позволила раскрыть основные принципы максимизации потерь. Были выявлены две основные причины: прямые столкновения между ротором и поверхностью жидкости, а также дисбаланс давления вокруг ротора. Это указывает на важность усиленного движения жидкости, направленного к передней части ротора, и усиленной нестабильности потока позади него.

Последствия для эффективности и проектирования

Ожидается, что результаты этого исследования принесут следующие преимущества:

Повышение энергоэффективности: Понимание механизма максимизации потерь позволяет избегать резонансных состояний и оптимизировать форму ротора. Это способствует экономии энергии и достижению целей устойчивого развития.
Повышение надежности и срока службы: Максимизация крутящего момента может создавать чрезмерные нагрузки на механические компоненты, приводя к отказам и износу. Выяснение механизма позволяет проводить упреждающую оценку рисков механических отказов, что ведет к разработке более надежных и долговечных конструкций.
Предоставление новых рекомендаций по проектированию: Знание о существенном дисбалансе давления, влияющем на потери энергии, предлагает новые подходы к проектированию. Это способствует разработке системных конфигураций, оптимизирующих перемешивание, охлаждение и другие процессы.

«Двухфазные газожидкостные потоки, приводимые в движение роторами, часто встречаются в нашем окружении. Однако их внутренние структуры до сих пор остаются малоизученными. Масштабные численные симуляции дополняют эксперименты, позволяя проводить детальный пространственно-временной анализ и помогая получить фундаментальное понимание факторов, вызывающих потери», — отметил Маю Кавамура, ведущий автор исследования. «Мы ожидаем, что наши результаты проложат путь к переходу от эмпирического проектирования, основанного на правилах, к проектированию, основанному на теории, и ускорят разработку энергоэффективных машин».