В условиях невесомости при кипении жидкости пузыри не отрываются и не улетают, а остаются на нагревателе и растут до необычных размеров.
Ученые Физического факультета Новосибирского государственного университета и Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, работая в составе одной из научных групп масштабного международного проекта RUBI (Reference mUltiscale Boiling Investigation), добились значительного прорыва в понимании фундаментальных процессов кипения.
Впервые исследователи наблюдали рост отдельного пузыря при кипении жидкости в условиях невесомости, проходящим на МКС. Увиденное ученые описали и создали численные модели роста. Это позволило прийти к большему пониманию фундаментальных процессов кипения.
«Для изучения отдельных пузырьков пара, зарождающихся на перегретой подложке, была создана и доставлена на борт МКС установка многомасштабного кипения Reference mUltiscale Boiling Investigation (RUBI). Провести этот эксперимент на Земле не представлялось возможным, потому что гравитация на нашей планете маскирует ключевые физические механизмы — пузыри быстро отрываются и уносятся силой Архимеда, а естественная конвекция существенно влияет на распределение температуры в жидкости», — сообщает пресс-служба НГУ.
Благодаря невесомости, МКС стала идеальной «лабораторией», позволившей пузырям оставаться на нагревателе и расти до необычных в «земных» условиях размеров.
«В невесомости пузырьки могут увеличиваться в размерах без преждевременного отрыва. Таким образом, можно наблюдать явления кипения в больших пространственных и временных масштабах с лучшим разрешением. В то же время кипение в условиях невесомости само по себе является предметом исследования, важным для космических миссий», — объяснил старший преподаватель Физического факультета НГУ Федор Роньшин.
В результате проведения экспериментов на борту Международной космической станции с использованием установки RUBI в сочетании с передовым численным моделированием ученые модифицировали численную модель для учета неконденсирующихся газов и термокапиллярных эффектов, что хорошо согласовалось с экспериментальными наблюдениями. Учет этих факторов устранил расхождения между случаями недогрева. Также исследователи пришли к выводу, что присутствие неконденсирующихся газов внутри пузырька существенно влияет на его выживаемость и динамику роста, обеспечивая сохранение пузырька даже в условиях относительно высокого недогрева, при котором чистые паровые пузырьки схлопнулись бы.
Исследователи отметили, что термокапиллярная конвекция, обусловленная градиентами температуры вдоль поверхности пузырька, вызванными наличием неконденсирующихся газов, усиливает тепло- и массоперенос вблизи границы раздела. Это явление способствует интенсификации испарения у основания пузырька и снижает интенсивность конденсации у его вершины, способствуя его устойчивому росту.
