Параметрические исследования течений в микросоплах

Работа посвящена параметрическим исследованиям течения криптона в коническом микросопле при истечении в область с низким давлением. Изучены особенности течений при различных значениях давления торможения в предсопловом объеме, в том числе при возникновении конденсированной фазы в потоке. Математическое моделирование проводилось на основе численного решения полной системы уравнений Навье-Стокса, дополненной уравнением массовой доли конденсата и слагаемыми в уравнении сохранения энергии, отвечающими за теплоту фазового перехода. В математической модели учитывалось изменение коэффициентов динамической вязкости и теплопроводности от температуры газа. Расчетная область включала в себя само микросопло и часть пространства за ним. Задача решалась методом контрольного объема на блочно-структурированной регулярной сетке из четырехугольных элементов с использованием схем второго порядка точности. По времени интегрирование уравнений проводилось с использованием метода Рунге-Кутты. Расчеты проводились при значениях давления торможения 5, 10 и 15 атм для однофазного и двухфазного течений. Приведены поля распределения температуры и числа Маха в сопле и в пространстве за ним. Изучено осевое распределение давления, температуры и числа Маха. Показано, что в случае однофазного потока наблюдается автомодельность течений газа. Поля давлений были подобны, а в безразмерном виде совпадали между собой. При этом наблюдалась идентичность полей скорости и температуры при различных значениях давления торможения. Автомодельность течения нарушается в зоне формирования конденсированных частиц. Размеры зон локального повышения температур, а также интенсивность тепловыделения зависят от заданного давления торможения, что отражается на скоростных характеристиках течения.

1. Родченкова В., Шахнович И. Микрофлюидные чипы – конструктор для разработчика. Решения компании Dolomite. Аналитика, вып. 3, 2017 г., стр. 60-69 / Rodchenkova V., Shakhnovich. I. Microfluidic chips are a designer for developers. Dolomite solutions. Analytics, issue 3, 2017, pp. 60-69 (in Russian).

2. Зимина Т.М. Миниатюрные аналитические системы биомедицинского назначения – лаборатории на чипе. Биотехносфера, вып. 1, 2009 г., стр. 11-17 / Zimina T.M. Miniature analytical systems for biomedical purposes – laboratories on a chip. Biotechnosphere, issue 1, 2009, pp. 11-17 (in Russian).

3. Александров В.А., Тонков Л.Е. Экспериментальная микрогидродинамика капли жидкости на вибрирующей полимерной подложке. Химическая физика и мезоскопия, том 18, вып. 4, 2016 г., стр. 620-633 / Aleksandrov V.A., Tonkov L.E. Experimental microhydrodynamics of liquid drop on a vibrating polymeric substrate. Chemical Physics and Mesoscopics, vol. 18, issue 4, 2016, pp. 620–633 (in Russian).

4. Лемозерский В.Е., Зимина Т.М. и др. Разработка интегрируемого в микрофлюидную систему электроакустического актюаторного модуля для экспресс-подготовки фракций крови. Биотехносфера, вып. 3, 2017 г., стр. 16-28 / Lemozersky V.E., Zimina T.M. et al. Development of an electroacoustic actuator module integrated into a microfluidic system for express preparation of blood fractions. Biotechnosphere, issue 3, 2017, pp. 16-28 (in Russian).

5. Ахметов А.Т., Валиев А.А. и др. Микрогидродинамика крови при стенозе сосудов Труды Института механики им. Р.Р. Мавлютова, том. 11, вып. 2, 2016 г., стр. 210-217 / Akhmetov A.T., Valiev A.A. et al. Microfluidics of blood in blood vessels stenosis. Proceedings of the Mavlyutov Institute of Mechanics, vol. 11, issue 2, 2016, pp. 210-217 (in Russian).

6. Балабанов А.В., Касимов А.М. Разработка и исследование рабочих характеристик микроструйного генератора Датчики и системы, вып. 7-8, 2019 г., стр. 34-40 / Balabanov A. V., Kasimov A. M. Development and investigation tests of microfluidic generator. Sensors and Systems, issue 7-8, 2019, pp. 34-40 (in Russian).

7. Солнышкина О.А., Батыршин Э.С., Питюк Ю.А. Исследование гидродинамических потоков в микромоделях сред с двойной пористостью. Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа, вып. 4, 2021 г., стр. 9-18 / Solnyshkina O.A., Batyrshin E.S., Pityuk Y.A. Investigation of hydrodynamic flows in micromodels of double porosity media. Fluid Dynamics, vol. 56, issue 4, pp. 451-459.

8. Гаряев А.Б., Прун О.Е., Клименко А.В. Определение оптимального соотношения характеристик микроканальных теплообменных аппаратов. Теплофизика и аэромеханика, том 22, вып. 6, 2015 г., стр. 751-760 / Garyaev A.B., Prun O.E., Klimenko A.V. Evaluation of Optimal Thermal-Hydraulic Characteristics Ratio in Microchannel Heat Exchangers. Thermophysics and Aeromechanics, vol. 22, issue 6, 2015, pp. 723-732.

9. Филимонов С.А., Дектерев А.А. и др. Моделирование сопряженного теплообмена в системе микроканалов при помощи гибридного алгоритма. Сибирский журнал индустриальной математики, том 18, вып. 3, 2015 г., стр. 86–97 / Filimonov S.A., Dekterev A.A. Simulation of conjugate heat transfer in a microchannel system by a hybrid algorithm. Journal of Applied and Industrial Mathematics, vol. 9, issue 4, 2015, pp. 469-479.

10. Korepanov M.A., Koroleva M.R., Mitrukova E.A. Numerical Investigation of Flows with Condenation in Micronozzles. Journal of Physics: Conference Series, vol. 2057, 2021, article no. 012016, 6 pp.

11. Barrot C., Colin S. Design of Tree-Shaped Microchannel Networks Submitted to Simultaneous Pressure Driven and Electro-Osmotic Flows. In Proc. of the 10th International Conference on Nanochannels, Microchannels and Minichannels, 2012, pp. 113-121.

12. Lobasov A.S., Shebeleva A.A., Minakov А.V. The Study of Ethanol and Water Mixing Modes in the T-shaped Micromixers. Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics, vol. 12, issue 2, 2019, pp. 202–212.

13. Shershnev A.A., Kudryavtsev A.N. Numerical simulation of particle beam focusing in a supersonic nozzle with rectangular cross-section. Journal of Physics. Conference Series, vol. 1404, 2019, article no. 012042, 4 p.

14. Korepanov M.A., Koroleva M.R. et al. Nonlinear Effects of Krypton Flow in a Micronozzle with a Cylindrical Tube. Russian Journal of Nonlinear Dynamics, vol. 18, issue 3, 2022, pp. 411-422.

15. Nechay A.N., Perekalov A.A. et al. Emission properties of targets based on shock waves excited by pulsed laser radiation. Optics & Laser Technology, vol. 142, 2021, article no. 107250.

16. Корепанов М.А., Морар Г., Альес М.Ю. Моделирование гомогенной конденсации криптона в сверхзвуковом сопле. Химическая физика и мезоскопия, том 22, вып. 2, 2020 г., стр. 155-163 / Korepanov M.A., Morar G., Alies M.Yu. Modeling of Homogeneous Condensation of Crypton in the Supersonic Nozzle. Chemical physics and mesoscopy, vol. 22, issue 2, 2020, pp. 155-163 (in Russian).

17. Рабинович В.А., Вассерман А.А. и др. Теплофизические свойства неона, аргона, криптона и ксенона. М., Изд-во стандартов, 1975 г., 636 стр. / Rabinovich V.A., Vasserman A.A. et al. Thermophysical properties of neon, argon, krypton and xenon. M., Publishing house of standards, 1975, 636 p. (in Russian).

18. R.C. Reid, Prausnitz J.M., Sherwood T.K. The Properties of Gases and Liquids. McGraw-Hill, 1977, 688 p.

19. Chernova A.A. Validation of RANS turbulence models for the conjugate heat exchange problem. Russian Journal of Nonlinear Dynamics, vol. 18, issue 1, 2022, pp. 61-82.