Волновая динамика многофазных систем

Работы по волновой динамике многофазных сред были начаты в институте в начале 70-х годов. Уже в первых работах, посвященных изучению затухания звуковых волн и эволюции нелинейных волн в пузырьковых газожидкостных средах, были определены важнейшие закономерности распространения волн давления в таких средах. Теоретически предсказано и впервые экспериментально подтверждено существование принципиально новых режимов распространения ударных волн в жидкости с пузырьками газа, среди которых – стационарные ударные волны осцилляторной и монотонной структуры, солитоны.

Выполнен большой цикл экспериментальных работ по взаимодействию сильных ударных волн с пузырьками различного газа, содержащимися в жидкости. Найдены условия гашения ударной волны, что послужило основой для создания эффективных завес при проведении взрывных подводных работ. Экспедиционными работами на Обском водохранилище, Енисее, испытательных полигонах на Черном и Балтийском морях сотрудниками института было показано эффективное действие таких завес. Дальнейшее развитие этих работ привело к детальному исследованию законов динамики и межфазного тепломассообмена газовых и паровых пузырьков в нестационарных условиях, установлению особенностей распространения волн давления в пористых средах, насыщенных жидкостью с различной вязкостью и добавками газа разной концентрации. Эти работы оказались крайне важными для нефтедобывающей промышленности.

Пристальное внимание в вопросах распространения волн давления было уделено области вблизи критической точки вещества. Впервые экспериментально обнаружено предсказанное ранее уникальное явление – ударная волна разрежения в веществе, термодинамические параметры которого близки к критической точке "жидкость–пар". Результат обнаружения ударной волны разрежения зарегистрирован в качестве открытия.

Особое значение исследования по динамике ударных волн в парожидкостных двухфазных средах приобрели в связи с задачей повышения безопасной эксплуатации атомных станций. Развернулись работы по изучению распространения волн давления в пузырьковом, снарядном, расслоенном режимах течения парожидкостных сред. Установлено существование принципиально нового и важного режима, при котором во время распространения по среде ударной волны происходит значительное усиление ее амплитуды. Для совместного течения пара и жидкости определены области возникновения скачков конденсации, вызывающих полную конденсацию пара в жидкости и импульсное повышение давления в жидкости. В связи с задачей создания компактных конденсаторов пара была изучена волновая динамика при полной конденсации пара в интенсивно охлаждаемых трубах.

Усиление амплитуды ударной волны в парожидкостной среде.	Динамика кавитационного кластера.

Исследована динамика переходных процессов в метастабильной жидкости при разгерметизации сосуда под давлением, содержащего жидкость, нагретую до и выше температуры насыщения. Найдены закономерности эволюции давления в жидкости, формирования зародышей парообразования для жидкостей с различной вязкостью, фрагментации жидкости. Определены условия, при которых в перегретой жидкости при внезапном понижении давления возникает фронт испарения. Обнаружена ячеистая структура такого фронта испарения и создана модель его движения. Эти результаты оказались крайне важными в исследовании проблемы взрывного извержения вулканов. На основе выполненных в институте модельных экспериментов и теоретических исследований созданы физическая и расчетная модель поведения магмы при взрывном извержении вулканов с учетом ее кристаллизации при подъеме по жерлу вулкана.

Детальными экспериментальными и теоретическими исследованиями влияния ударной волны на массообмен между газовым пузырьком и жидкостью, твердой частицей и пузырьковой жидкостью установлена возможность существенного изменения коэффициента массообмена в двух- и трехфазных средах. Эти результаты послужили базой для создания различных ударно-волновых технологий.

Работами сотрудников института внесен большой вклад в изучение волновой динамики кавитационных течений и звукокапиллярного эффекта, состоящего в увеличении глубины и скорости проникновения жидкости в каналы пористой среды. Этот эффект является одним из основных механизмов очистки, пропитки, диспергирования и металлизации материалов. Исследована динамика кавитационных пузырьков в различных жидкостях и условиях ее течения, определены эффективные пути усиления звукокапиллярного эффекта. Особое значение эти работы приобрели в связи с задачей получения высоких давлений и температур при мощном сжатии пузырькового кластера. Показано, что данным способом можно продолжительное время удерживать пульсирующий пузырьковый кластер в определенном месте. На этой основе проведено экспериментальное изучение спектров кавитационного шума и свечения при формировании различных форм кавитационных кластеров.

Движение фронта конденсации в паре.	Фронт испарения.  Сверху пар, снизу жидкость.

• Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г., Шрейбер И.Р. Волновая динамика газо- и парожидкостных сред. 1983.
• Kuznetsov V.V., Nakoryakov V.E., Pokusaev B.G., Shreiber I.R. Propagation of perturbations in a gas liquid mixture // J. Fluid Mech. 1978. V. 85, N. 1.
• Borisov A.A., Kutateladze S.S., Nakoryakov V.E. Rarefaction waves in liquid and gas-liquid media // Ann. Rev. Fluid Mech. 1987. V. 19.
• Накоряков В.Е., Вассерман Е.С., Покусаев Б.Г., Прибатурин Н.А. Усиление амплитуды волн давления в парожидкостной среде пузырьковой структуры // ТВТ. 1994. Т. 32, № 3.
• Malykh N.V., Petrov V.M., Sankin G.N. On sonocapillary effect // Proc. of the 5th World Congress on Ultrasonics. 2003.
• Накоряков В.Е., Донцов В.Е. Эволюция ударной волны в газожидкостной среде кластерной структуры // Докл. РАН. 2004. Т. 394, № 4.