Влияние инверсной зависимости свойств воды на сопряженный конвективный теплообмен и формы фронта кристаллизации на охлаждаемых вертикальных стенках

Экспериментально и численно исследовано развитие течения воды и эволюция полей температуры в жидкости и в стенках в режимах монотонного охлаждения вертикальных границ прямоугольной полости. Исследован процесс формирования на холодной стенке слоя жидкости с температурой в диапазоне от 0°С до +4°С и развития встречного подъемного течения, оттесняющего от стенки исходный опускной поток, существующий до появления в пристеночной области изотермы +4°С. Получены поля скорости и температуры, распределения локальных тепловых потоков. Экспериментально нестационарные поля температуры  исследовались методами гильберт-оптики и интерферометрии  на экспериментальном  стенде с использованием модифицированного прибора  ИАБ – 463М в режиме интерферометра и гильберт оптики. В сочетании с результатами численного моделирования разработана методика восстановления количественных характеристик полей температуры. Экспериментально и численно изучены процессы кристаллизации воды на вертикальных стенках в режимах мгновенного охлаждения одной из стенок до температуры ниже 0°С и в режимах монотонно охлаждаемых вертикальных границ слоев воды. Экспериментально и численно изучена эволюция во времени полей скорости, температуры и градиентов температуры, локальных тепловых потоков в жидкой и твердой фазах в зависимости от относительных размеров полости. Задачи решены методом конечных элементов с учетом инверсной зависимости плотности воды от температуры и теплоты фазового перехода в режимах термогравитационной и тепловой гравитационно-капиллярной конвекции. Экспериментально и численно показано, что инверсная зависимость плотности от температуры существенно влияет на пространственную форму конвективного течения и на форму фронта кристаллизации. Все результаты получены впервые. Получены новые результаты в режимах сложного сопряженного теплообмена, что важно для разработки методов получения многофункциональных монокристаллов различных материалов для силовой и микроэлектроники, лазерной техники и других областей применения. Результаты исследований – теоретическая база для оптимизации технологических процессов выращивания монокристаллов из расплавов методом горизонтальной кристаллизации.

Результаты оптической визуализации полей температуры: верхний ряд – сдвиговая интерферометрия; нижний ряд – гильбертограммы.

ИТ СО РАН, гл. н. с., д. ф.-м. н. Бердников В.С., гл. н. с., д. т. н. Дубнищев Ю.Н., в. н. с., д. т. н. Арбузов В.А., инж., к. ф.-м. н. Арбузов Э.В., вед. инж. Гришков В.А., инж.-иссл. Кислицын С.А., инж.-иссл. Мелёхина О.С., тел.: (383)316-53-32.