Специалисты Научно-исследовательского института механики МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с коллегой из Центра новых космических технологий МАИ изучили динамику свободной жидкой пленки в условиях космического вакуума.
От земных волн к космическим условиям
На Земле устойчивость жидкой пленки определяется взаимодействием с воздухом. Ключевой эффект, неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, возникает из-за трения между жидкостью и воздухом. Разница скоростей порождает рябь, волны и срыв капель. Яркий пример — ветровые волны на воде. Ученые проанализировали поведение свободной пленки в вакууме, где воздушное взаимодействие отсутствует. Объектом исследования выступило вакуумное масло — жидкость, чья вязкость, теплопроводность и поверхностное натяжение сильно зависят от температуры. Такие масла применяются, например, в паромасляных насосах.
Космическое охлаждение: вызовы и решения
Изучение жидкостей в открытом космосе критически важно для создания инновационных систем охлаждения космических аппаратов. Перспективная технология — капельные радиаторы-охладители. В них жидкость охлаждающей системы распыляется форсунками в поток мелких капель, движущихся в космическом пространстве. Огромная площадь поверхности капель позволяет эффективно "сбрасывать" тепло излучением. Однако возникает сложная задача: собрать остывшие капли, преобразовать их обратно в жидкость и вернуть на борт. Решение — сбор капель на специально созданное течение жидкой пленки. Данная работа посвящена изучению устойчивости такой пленки в космосе.
Новые механизмы неустойчивости в вакууме
"Обычно жидкие струи и пленки быстро распадаются на капли из-за неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, вызванной трением о воздух. В космосе этот фактор исчезает, поэтому мы искали другие причины фрагментации жидкости. Нам удалось выявить, какие неустойчивости могут возникать в жидкой пленке без окружающего воздуха, но при существенно неизотермическом течении из-за теплового излучения с ее поверхности", — пояснил профессор Александр Осипцов, заведующий лабораторией механики многофазных сред НИИ механики МГУ, один из авторов исследования.
Математическая модель и ключевые открытия
Используя классические методы теории гидродинамической устойчивости, ученые математически описали поведение пленки вакуумного масла в космическом вакууме. Оказалось, что без главного механизма неустойчивости (Кельвина-Гельмгольца) проявляются неустойчивости, вызванные градиентами вязкости и поверхностного натяжения внутри пленки. Тепловое излучение с поверхности создает неоднородность температуры как вдоль пленки, так и внутри нее. Эта температурная неоднородность порождает вариации вязкости и поверхностного натяжения, что и запускает новые механизмы дестабилизации.
Анализ возмущений и будущие шаги
Исследователи математически описали зарождение неустойчивостей в потоке, изучили эволюцию коротковолновых и длинноволновых возмущений во времени и определили наиболее критические типы возмущений. В дальнейшем ученые намерены развивать теоретическую модель для описания более сложных процессов в системе.
Путь к управлению устойчивостью
"Мы исследовали начальный этап — малые возмущения: нашли условия их роста, определили критерии неустойчивости. Следующий шаг — решение сложных задач: развитие возмущений на нелинейной стадии, скорость образования неоднородностей толщины и "дырок" в пленке, динамика распада на капли. Главное — научиться управлять процессом и стабилизировать устойчивый режим течения", — подчеркнул Александр Осипцов.
Источник: scientificrussia.ru
