Совместный анализ объемной конденсации и испарения с межфазной поверхности в существенно неравновесных условиях
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2026-3-110-118Ключевые слова:
интенсивное испарение, объемная конденсация, кинетическое уравнение Больцмана, прямое численное решение, схема расщепленияАннотация
Рассмотрена объемная конденсация при испарении с межфазной поверхности в существенно неравновесных условиях. Актуальность исследования обусловлена значимостью точного описания тепломассопереноса высокой интенсивности для современных технологий. Цель работы — определить минимальную температуру поверхности испарения, при которой объемная конденсация начинает влиять на параметры пара (в частности, на его температуру вследствие тепловыделения). Ключевой особенностью является совместный анализ процессов испарения с межфазной поверхности и объемной конденсации в образующемся паре, а не итерационный подход, как в других работах. Для решения задачи предложено численное моделирование на основе кинетического уравнения Больцмана с включением этапа объемной конденсации в схему расщепления по физическим процессам на каждом шаге по времени. Предложен подход, предусматривающий трехэтапное изменение функции распределения молекул по скоростям: свободномолекулярный разлет, пространственно-однородную релаксацию и объемную конденсацию. Расчеты выполнены для трех веществ с различной приведенной теплотой парообразования: аргона, воды и метанола. Проанализированы два предельных значения температуры капель: температура газовой фазы (максимальная интенсивность конденсации) и температура насыщения при давлении пара (минимальная интенсивность конденсации). Установлены отношения температур «горячей» и «холодной» поверхностей, при которых объемная конденсация начинает заметно влиять на температуру пара. Показано, что с ростом приведенной теплоты парообразования отношение температур уменьшается. Выявлено существенное снижение потока массы при интенсивном испарении вследствие объемной конденсации.
Библиографические ссылки
1. Labuntsov D.A., Kryukov A.P. Analysis of Intensive Evaporation and Condensation // Intern. J. Heat Mass Transfer. 1979. V. 22(7). Pp. 989—1002.
2. Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие излучения большой мощности на металлы. М.: Наука, 1970.
3. Rokoni A., Sun Y. Probing the Temperature Profile Across a Liquid–vapor Interface Upon Phase Change // J. Chem. Phys. 2020. V. 153(14). P. 144706.
4. Chen G. On Paradoxical Phenomena During Evaporation and Condensation Between Two Parallel Plates // J. Chem. Phys. 2023. V. 159(15). P. 151101.
5. Chen G. Interfacial Cooling and Heating, Temperature Discontinuity and Inversion in Evaporation and Condensation // Intern. J. Heat Mass Transfer. 2024. V. 218. P. 124762.
6. Badam V.K., Kumar V., Durst F., Danov K. Experimental and Theoretical Investigations on Interfacial Temperature Jumps During Evaporation // Experimental Thermal Fluid Sci. 2007. V. 32(1). Pp. 276—292.
7. Fei Duan, Ward C.A., Badam V.K., Durst F. Role of Molecular Phonons and Interfacial-temperature Discontinuities in Water Evaporation // Phys. Rev. E. 2008. V. 78(4—1). P. 041130.
8. Fang G., Ward C.A. Temperature Measured Close to the Interface of an Evaporating Liquid // Phys. Rev. E. 1999. V. 59(1). Pp. 417—428.
9. Корценштейн Н.М., Петров Л.В., Рудов А.В., Ястребов А.К. Численное моделирование объемной конденсации пара вблизи межфазной поверхности при интенсивном испарении // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2023. Т. 24. № 5. С. 84—95.
10. Корценштейн Н.М., Петров Л.В., Рудов А.В., Ястребов А.К. Объемная конденсация пара при интенсивном испарении с межфазной поверхности // Коллоидный журнал. 2024. Т. 86. № 6. С. 766—775.
11. Левашов В.Ю., Шишкова И.Н., Крюков А.П. Влияние растущих капель на интенсивность процесса переконденсации // Инженерно-физический журнал. 2024. Т. 97. № 7. С. 1710—1718.
12. Левашов В.Ю., Крюков А.П., Шишкова И.Н. Влияние гомогенной нуклеации на интенсивность процессов испарения/конденсации // Коллоидный журнал. 2024. Т. 86. № 2. С. 218—226.
13. Майоров В.О., Левашов В.Ю., Крюков А.П. Исследование влияния объемной конденсации на интенсивность тепло- и массопереноса // Инженерно-физический журнал. 2024. Т. 97. № 7. С. 1704—1709.
14. Аристов В.В., Черемисин Ф.Г. Прямое численное решение кинетического уравнения Больцмана. М.: Вычислительный центр РАН, 1992.
15. Черемисин Ф.Г. Консервативный метод вычисления интеграла столкновений Больцмана // Доклады Академии наук. 1997. Т. 357. № 1. С. 53—56.
16. Стернин Л.Е. Основы газодинамики двухфазных течений в соплах. М.: Машиностроение, 1974.
17. Сидоров А.А., Ястребов А.К. Влияние геометрических характеристик канала и свойств парогазовой смеси на объемную конденсацию при течении в сопле // Теплоэнергетика. 2018. № 1. С. 68—76.
18. Murakami M., Furukawa T., Maki M., Fujiyama J. Experimental Study of Transient Evaporation of Superfluid Helium Induced by Incidence of Second Sound Thermal Pulse onto Free Surface // Experimental Thermal Fluid Sci. 2002. V. 26(2—4). Pp. 229—235.
19. Sone Y., Onishi Y. Kinetic Theory of Evaporation and Condensation // J. Phys. Soc. Japan. 1973. V. 35(6). Pp. 1773—1776.
20. Ястребов А.К. Исследование некоторых задач тепломассопереноса в паровых пленках методами молекулярно-кинетической теории: дис. … канд. тех. наук. М.: НИУ «МЭИ», 2004.
21. Onishi Y., Tsuji H. Transient Behavior of a Vapor Due to Evaporation and Condensation Between the Plane Condensed Phases // Proc. XIX Intern. Symp. Rarefied Gas Dynamics. 1995. V. 1. Pp. 284—290.
22. Корценштейн Н.М., Петров Л.В. Численное моделирование объемной конденсации при истечении парогазовой смеси через сопло // Коллоидный журнал. 2017. Т. 79. № 3. С. 276—283.
---
Для цитирования: Рудов А.В., Ястребов А.К. Совместный анализ объемной конденсации и испарения с межфазной поверхности в существенно неравновесных условиях // Вестник МЭИ. 2026. № 3. С. 110—118. DOI: 10.24160/1993-6982-2026-3-110-118.
#
1. Labuntsov D.A., Kryukov A.P. Analysis of Intensive Evaporation and Condensation. Intern. J. Heat Mass Transfer. 1979;22(7):989—1002.
2. Anisimov S.I., Imas Ya.A., Romanov G.S., Hodyko Yu.V. Deystvie Izlucheniya Bol'shoy Moshchnosti na Metally. M.: Nauka, 1970. (in Russian).
3. Rokoni A., Sun Y. Probing the Temperature Profile Across a Liquid–vapor Interface Upon Phase Change. J. Chem. Phys. 2020;153(14):144706.
4. Chen G. On Paradoxical Phenomena During Evaporation and Condensation Between Two Parallel Plates. J. Chem. Phys. 2023;159(15):151101.
5. Chen G. Interfacial Cooling and Heating, Temperature Discontinuity and Inversion in Evaporation and Condensation. Intern. J. Heat Mass Transfer. 2024;218:124762.
6. Badam V.K., Kumar V., Durst F., Danov K. Experimental and Theoretical Investigations on Interfacial Temperature Jumps During Evaporation. Experimental Thermal Fluid Sci. 2007;32(1):276—292.
7. Fei Duan, Ward C.A., Badam V.K., Durst F. Role of Molecular Phonons and Interfacial-temperature Discontinuities in Water Evaporation. Phys. Rev. E. 2008;78(4—1):041130.
8. Fang G., Ward C.A. Temperature Measured Close to the Interface of an Evaporating Liquid. Phys. Rev. E. 1999;59(1):417—428.
9. Kortsenshteyn N.M., Petrov L.V., Rudov A.V., Yastrebov A.K. Chislennoe Modelirovanie Ob'emnoy Kondensatsii Para Vblizi Mezhfaznoy Poverhnosti pri Intensivnom Isparenii. Fiziko-himicheskaya Kinetika v Gazovoy Dinamike. 2023;24(5):84—95. (in Russian).
10. Kortsenshteyn N.M., Petrov L.V., Rudov A.V., Yastrebov A.K. Ob'emnaya Kondensatsiya Para pri Intensivnom Isparenii s Mezhfaznoy Poverhnosti. Kolloidnyy Zhurnal. 2024;86(6):766—775. (in Russian).
11. Levashov V.Yu., Shishkova I.N., Kryukov A.P. Vliyanie Rastushchih Kapel' na Intensivnost' Protsessa Perekondensatsii. Inzhenerno-fizicheskiy Zhurnal. 2024;97(7):1710—1718. (in Russian).
12. Levashov V.Yu., Kryukov A.P., Shishkova I.N. Vliyanie Gomogennoy Nukleatsii na Intensivnost' Protsessov Ispareniya/Kondensatsii. Kolloidnyy Zhurnal. 2024;86(2):218—226. (in Russian).
13. Mayorov V.O., Levashov V.Yu., Kryukov A.P. Issledovanie Vliyaniya Ob'emnoy Kondensatsii na Intensivnost' Teplo- i Massoperenosa. Inzhenerno-fizicheskiy Zhurnal. 2024;97(7):1704—1709. (in Russian).
14. Aristov V.V., Cheremisin F.G. Pryamoe Chislennoe Reshenie Kineticheskogo Uravneniya Bol'tsmana. M.: Vychislitel'nyy Tsentr RAN, 1992. (in Russian).
15. Cheremisin F.G. Konservativnyy Metod Vychisleniya Integrala Stolknoveniy Bol'tsmana. Doklady Akademii Nauk. 1997;357(1):53—56. (in Russian).
16. Sternin L.E. Osnovy Gazodinamiki Dvuhfaznyh Techeniy v Soplah. M.: Mashinostroenie, 1974. (in Russian).
17. Sidorov A.A., Yastrebov A.K. Vliyanie Geometricheskih Harakteristik Kanala i Svoystv Parogazovoy Smesi na Ob'emnuyu Kondensatsiyu pri Techenii v Sople. Teploenergetika. 2018;1:68—76. (in Russian).
18. Murakami M., Furukawa T., Maki M., Fujiyama J. Experimental Study of Transient Evaporation of Superfluid Helium Induced by Incidence of Second Sound Thermal Pulse onto Free Surface. Experimental Thermal Fluid Sci. 2002;26(2—4):229—235.
19. Sone Y., Onishi Y. Kinetic Theory of Evaporation and Condensation. J. Phys. Soc. Japan. 1973;35(6):1773—1776.
20. Yastrebov A.K. Issledovanie Nekotoryh Zadach Teplomassoperenosa v Parovyh Plenkah Metodami Molekulyarno-kineticheskoy Teorii: Dis. … Kand. Tekh. Nauk. M.: NIU «MEI», 2004. (in Russian).
21. Onishi Y., Tsuji H. Transient Behavior of a Vapor Due to Evaporation and Condensation Between the Plane Condensed Phases. Proc. XIX Intern. Symp. Rarefied Gas Dynamics. 1995;1:284—290.
22. Kortsenshteyn N.M., Petrov L.V. Chislennoe Modelirovanie Ob'emnoy Kondensatsii pri Istechenii Parogazovoy Smesi сherez Soplo. Kolloidnyy Zhurnal. 2017;79(3):276—283. (in Russian)
---
For citation: Rudov A.V., Yastrebov A.K. Combined Analysis of Bulk Condensation and Evaporation from an Interphase Surface under Strong Non-equilibrium Conditions. Bulletin of MPEI. 2026;3:110—118. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2026-3-110-118.
