Экспериментальное исследование, математическое и численное моделирование физических особенностей обледенения

Моделирование взаимодействия аэрозольных течений с твердым телом представляет большой практический интерес, в частности в проблеме обледенения. Основные задачи работы состоят в разработке программного пакета, позволяющего моделировать удар кристаллов о твердое тело на молекулярном уровне и рекомендации по подбору материала в целях управления взаимодействием жидкости, газа и плазмы с твердым телом. Алгоритм моделирования дисперсных систем на молекулярном уровне может быть использован для тестирования упрощенных моделей динамики соответствующих течений. Программный комплекс позволяет исследовать структуру пограничного слоя на основании молекулярно-динамического моделирования, выбирать потенциалы парного межмолекулярного взаимодействии, численные схемы интегрирования уравнений динамики молекул и управлять граничными условиями. Разработанные алгоритмы и соответствующие программы позволяют использовать различные модели взаимодействия молекул с поверхностью твердого тела. Методом молекулярной динамики путем осреднения по ячейкам пространства получены анимации обтекания рельефной химически активной поверхности твердого тела. Управление характеристиками двухфазного пограничного слоя осуществляется путем изменения рельефа поверхности и подбора материала обтекаемого тела. Одна из задач разрабатываемых алгоритмов, методов и подходов заключается в подборе материалов с соответствующим рельефом, который будет обладать заданными свойствами без проведения дорогостоящих экспериментов и технологических процессов.
Представлены результаты моделирования методом молекулярной динамики взаимодействия переохлаждённых капель воды с рельефным твердым телом в пограничном слое воздуха. Приведены результаты тестирования различных схем интегрирования уравнений динамики молекул. Приведены расчеты ударов кубических и гексагональных нанокристаллов льда о поверхность твердого тела, обладающей различной степенью гидрофобности. Развитый алгоритм позволяет моделировать упругие свойства твердых тел при их взаимодействии с обтекаемым телом в потоке воздуха. Методами квантовой химии с помощью пакета Gaussian получены потенциалы взаимодействия молекул воды с различными атомами твердого тела. Построена математическая модель диссипативной динамики хаоса несферических кристаллов льда в неоднородном газе. Представлены результаты анимации неравновесной динамики хаоса несферических частиц в потоке газа вблизи твердого тела. В докладе будет представлены численные оценки применимости подхода [5] моделированию движения множества несферических частиц в газовом потоке.
Получены интерполяции экспериментальных исследований особенностей кристаллизации переохлажденной метастабильной жидкости, видеосъемка и телевизионная съемка соответствующих процессов. На основании проведенных экспериментов получены оценки излучения, которое может сопровождать движение фронта кристаллизации в переохлажденной воде в зависимости от температуры переохлаждения. Экспериментально подтвержден обнаруженный ранее эффект накопления необходимой для кристаллизации кинетической энергии удара переохлажденной жидкости о твердую поверхность. Построена статистическая диаграмма (рис), показывающая вероятность кристаллизации метастабильной жидкости в зависимости от интенсивности и количества механических воздействий. Эффект может быть объяснен наличием по меньшей мере трех минимумов потенциальной энергии многочастичного межмолекулярного взаимодействия.
Работа выполнена за счет гранта РНФ, проект № 16–19–10472

Литература:
[1] Амелюшкин И.А., Стасенко А.Л. Взаимодействие нанокапель аэрозольного потока с твердым телом // Наноструктуры. Математическая физика и моделирование 2016. – Т. 14. – № 2. – С. 5–23.
[2] Nikolai V. Priezjev Molecular dynamics of oscillatory Couette flows with slip boundary conditions // Microfluid Nanofluid. – 2013. V. 14. – P. 255–233.
[3] Tiezheng Qian, Xiao-Ping Wang Driven cavity flow: from molecular dynamics to continuum hydrodynamics // Multiscale mode. Simul. – 2005 Society for Industrial and Applied Mathematics. – Vol. 3, No. 4, pp. 749–763.
[4] Werder T., Walther J.H., Jaffe R.L., Halicioglu T., Koumoutsakos P. On the Water-Carbon Interaction for Use in Molecular Dynamics Simulations of Graphite and Carbon Nanotubes // J. Phys. Chem. B 2003, 107, 1345-1352
[5] Амелюшкин И.А., Стасенко А.Л. Взаимодействие потока газа, несущего несферические микрочастицы, с поперечным цилиндром // Инженерно-физический журнал. – 2018. – Т. 91. № 3.