Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.abitu.ru/en2002/closed/viewwork.html?thesises=213
Дата изменения: Fri May 5 15:24:33 2006
Дата индексирования: Tue Oct 2 03:53:17 2012
Кодировка: koi8-r

Поисковые слова: arp 220

Введение
В последнее время неравновесная термодинамика является быстро
развивающимся направлением физики, представления, сформированные в ее
рамках, оказались востребованы (под общим названием «синергетика») в столь
различных областях, как химия, биология, экономика и т.д. [1]. В
частности, одним из предметов рассмотрения неравновесной термодинамики
является сложное поведение течений газа, где в сильно неравновесных
областях происходят такие нелинейные явления, как развитие турбулентности и
образование пространственно упорядоченных структур [2].
В данной работе проводится термометрирование затопленной
термоконвективной струи газа вблизи от источника тепла. Под затопленной
термоконвективной струей газа понимают поток, поднимающийся от нагретого
тела и попадающий в неограниченное пространство, заполненное тем же газом
[3]. Поведение таких струй вдали от источника достаточно хорошо изучено,
так как оно представляло собой практически важную задачу физики полета.
Распределение скоростей и температур по оси потока для ламинарных и
турбулентных восходящих струй, а также поведение струй в гравитационном
поле хорошо известны [2]. Однако, теоретические и экспериментальные
исследования поведения газа вблизи источника тепла, по сведениям авторов,
не проводились. Эта проблема приобрела актуальность именно в последнее
время, поскольку область газа вблизи источника является сильно
неравновесной, и здесь мы можем ожидать развития турбулентности и
структурообразования.
Экспериментальная установка
Установка представляет собой термопару, перемещающуюся на кронштейне
горизонтально над источником тепла. Термопара представляет собой спай двух
проволок разных металлов, нихрома и константана. Толщина каждой проволоки -
70мкм. В качестве миливольтметра используется цифровой нановольтметр. Также
сигнал можно выводить на самописец малой инерционности. Инерционность
термопары - 0.003 сек. От инерционности зависит характер (частота и
амплитуда) отклонений сигнала с термопары от его среднего значения.
Нановольтметр используется при измерениях средних температур в сочетании с
RC цепочкой; самописец используется для построения распределений температур
во времени для локальных мгновенных значений температуры. Термопара
помещается в поток вертикально сверху, при этом возмущения, вызванные
термопарой, сносятся вдоль нее вверх по потоку, а отклонения, вносимые
термопарой в точке измерений в среднее значение температуры, оказываются
пренебрежимо малыми [1]. Источник тепла представляет собой
электрическую спиральную плитку диаметром 12 см, нагретую до температуры
3500С и расположенную строго горизонтально. Для увеличения однородности
температуры источника а также для нормирования нулевого уровня плитка была
накрыта алюминиевым диском толщиной 5 мм и диаметром 12 см. В результате
удалось добиться достаточно однородного распределения температуры плитки
по ее поверхности.

Результаты
Температура потока на расстояниях до десяти см от плитки ведет себя
крайне нестабильно: при локальных измерениях она колеблется в пределах от
50% до 200% среднего значения. Это можно объяснить, предположив, что в
потоке имеет место развитая турбулентность. Она характеризуется чрезвычайно
нерегулярным, беспорядочным изменением скорости со временем в каждой точке
потока. Такое же нерегулярное изменение скорости имеет место от точки к
точке потока, рассматриваемого в данный момент времени; величины
отклонений практически неограничены [1]. Можно показать (см. полный текст),
что нерегулярность поведения температуры, которую мы наблюдаем в
экспериментах, влечет за собой нерегулярность в поведении скорости.
При использовании RC- цепочки с характерным временем усреднения 16
сек удалось выделить три области, отличающиеся характерными
распределениями температур в потоке.
Первая область лежит на расстоянии от 0 до 2 см над плиткой. В ней
наблюдается характерный профиль распределения средней температуры потока с
центральным плато, соответствующим меньшим значениям температуры, по
сравнению с температурой над краями плитки. Легко видеть, что
термоконвектиная ячейка действительно объясняет провал температуры в
центре. Нагретый воздух от центра плитки поднимается вверх к хоне
турбулентности, где перемешивается с холодным и опускается к центру плитки.
Вторая область лежит на расстоянии от 2 и до 5 см над плиткой. Даже со
временем усреднения 16 сек, оказалось невозможным выделить среднее
распределение температуры.
Третья область лежит на расстоянии от 7.5 см и выше. Здесь снова можно
выделить распределение средней температуры, но его характер оказался
совершенно иным: вместо провала в профиле температуры наблюдается
центральный максимум.
[pic][pic][pic]

|Температура |Температура |Температура |
|потока на |потока на |потока на |
|расстоянии 1 |расстоянии 3 см:|расстоянии 10 |
|см: типичная |типичная вторая |см: типичная |
|первая область.|область. |третья |
| | |область. |

Обсуждение результатов
Объяснить характерное распределение температур в среднем течении
можно, предположив, что потоки частиц в нижней области образуют
термоконвектиную ячейку, а в верхней - восходящий частично
турбулеризированный поток.
Термоконвектиная ячейка - это устойчивая неравновесная
термоконвективная структура, с замкнутыми газовыми потоками; Легко видеть,
что термоконвектиная ячейка действительно объясняет провал температуры в
центре.
В турбулентной зоне не определено среднее течение потока, и
наблюдаемым являются только флуктуации. Можно предположить, что это -
зона, где термоконвектиная ячейка теряет устойчивость, а восходящий поток
приобретает ее, то есть она соответствует точке бифуркации нашего
термоконвективного течения.
Согласно представлениям, развитым И. Пригожиным в системе вблизи точки
бифуркации развиваются флуктуации из-за неоднозначности состояния системы:
система не может выбрать между двумя возможными состояниями. Возможно, это
является основным фактором, турбулизирующим нашу систему.
Заключение
В целом же о характере наблюдаемого явления можно судить, используя
представления нелинейной неравновесной термодинамики [3]: Мы наблюдаем
пространственную картину перехода (снизу вверх) от конвективной ячейки
через точку бифуркации, которой отвечает полностью турбулизированная зона,
к восходящему термоконвективному потоку. Поскольку система находится вблизи
точки бифуркациии, то и термоконвектиная ячейка и восходящий конвективный
поток также сильно турбулизирован.
Мы получили простую установку, на которой можно легко изучать сложные
нелинейные эффекты, меняя граничные условия потока. Уравнения, описывающие
эту систему, упрощены и возможно их теоретическое исследование. Так,
приведя эти уравнения к безразмерному виду и, используя закон подобия [1],
мы надеемся предсказать, как будет меняться характер течения при изменении
граничных условий.
Благодарности
Работа была начата на Физическом отделении Всероссийской Летней
экологической школы (ЛЭШ 2002) [4] и продолжена в Институте химической
Физики Российской Академии Наук. Выражаем благодарность профессору Чайкину
А.М (ИХФ РАН) за помощь в проведении исследований и консультации.

Список литературы

[1] И.Пригожин . От существующего к возникающему. М:Наука, 1985.
[2] М.И.Рабинович, М.М.Сущик. Регулярная и хаотическая динамика структур в
течениях жидкости. УФН, 1990, т.160.
[3] Л.Д.Ландау, В.М.Лифшиц. Гидродинамика. М:Наука, 1988.
[4] http://physlesh.narod.ru
-----------------------

[pic]

[pic]