О тепло- и массопереносе в трубе с внедренными нанонитями и субмикронными полостями на стенке


Просмотр статьи
PDF, 985,9 КБ

Heat and mass transfer in a tube with nanowires inside and submicron cavities on the wall

Abstract
The Knudsen layer impact on heat and masstransfer in the channel with nanowires placed in the flow as well as nanostractures organized on the channel wall is simulated. The intensities of the slippage macrofluxes on the channel wall are found using the surface slippage microfluxes and velocity gradient averaging inside the cavities on the channel wall. The concept of self-penetrating solid - gas continua is applied. The detailed structure of gas flow inside the cavities is not taken into account. The intensities of slippage are presented in nondimensional form as functions of gas molecules reflection, the size and distribution of cavities on the channel surface. The nonisothermal flows with a passive diffusive component are considered taken into account the external heat flux. The velocity slip and temperature jump boundary conditions are applied. The average of slippage for the set of nanowires is suggested using the micro slippage on the isolated nanowire surface. The application of the study is applied to a drag reduction for gas and liquid transport in isothermal flows in channels for law Reynolds number. Simulating nonisothermal flow using the temperature jump in Knudsen layer shows the formation of lateral pressure and temperature gradient close to the channel wall. The radial pressure gradient causes the radial velocity component in the gas flow as well as the decreasing of mass transport vs time. The results of numerical simulation of gas transport under a given pressure drop in the channels with nanowires set and cavities on the wall demonstrate the drag reduction up to 300 percent.

Knudsen layer, micro and macro scale analysis, masstransfer intensification, gas slippage and gas temperature jump at the pores surface.


Том 17, выпуск 3, 2016 год



Аннотация
Моделируется воздействие слоев Кнудсена на тепло- и массоперенос при течении газа в трубе, на стенке которой организованы субмикронные полости и внедрен ансамбль упорядоченных нанонитей внутри трубы. Найдена величина макроинтенсивности скольжения на стенке трубы с применением осреднения микропотоков и градиентов скорости газа в полостях на основе модели взаимно проникающих континуумов твердой и газовой фаз. Детальная структура потоков газа в полостях не рассматривается. Интенсивности процессов скольжения представлены в безразмерных переменных как функции коэффициентов отражения молекул газа от поверхности полостей их размера и распределения на стенке трубы. Рассмотрены потоки газа с пассивной примесью при подводе тепла. Применены условия скольжения в сочетании со скачками температуры газа на поверхности изолированной трубки. При обтекании нанонитей проводится усреднение эффекта скольжения около изолированной нити по ансамблю нитей. Проведены расчеты массопереноса при варьировании интенсивностей процессов скольжения. Результаты расчетов предсказывают снижение сопротивления при движении газа в трубе при малых числах Рейнольдса в изотермическом потоке. В неизотермических потоках с ростом скачка температуры в слое Кнудсена формируется градиент температуры и давления в области около стенки трубы. Радиальный градиент давления разворачивает поток на некотором удалении от входного сечения и приводит к уменьшению расхода массы от времени. Расчеты потока в канале с внедренными нанонитями и организованными кавернами на поверхности при заданном перепаде давления показали снижение сопротивления до 300%.

слой Кнудсена, анализ микро и макромасштабов, интенсификация массопереноса, скольжение газа и скачок температуры на поверхности пор.


Том 17, выпуск 3, 2016 год



1. Karnidakis G., Beskok A., Aluru N. Microflows and nanoflows. Interdisciplinary Applied Math. 29. Springer Science+Business Media, Inc., 2005, 817 p.
2. J.K. Holt et all. Fast mass transport through sub-nanometer carbon nanotubes. Science v. 312. 19 May 2006.
3. Jan Eijkel. Liquid slip in micro- and nanofluidics; recent research and its possible implications. Lab Chip, 2007, v.7, P.299-301.
4. M Kurzyp, C A Mills, R Rhodes, T R Pozegic, C T G Smith, M J Beliatis, L J Rozanski, A Werbowy and S R P Silva, Filtration properties of hierarchical carbon nanostructures deposited on carbon fibre fabrics.// 2015 J. Phys. D: Appl. Phys. 48 115305 doi:10.1088/00223727/48/11/115305.
5. Chiara Neto, Drew R Evans, Elmar Bonaccurso, Hans-J.urgen Butt and Vincent S J Craig, Boundary slip in Newtonian liquids: a review of experimental studies Rep. Prog. Phys. 68 (2005) P. 28592897 doi:10.1088/0034-4885/68/12/R05.
6. A. Ajdari and L. Boequet. Giant amplification of interfacially driven transport by hydrodynamic slip: diffusion-osmosis and beyond. Phys. Letters PRL 96, 186102 (2006) 12 May 2006.
7. J.K. Holt et all. Fast mass transport through sub-nanometer carbon nanotubes. Science v. 312. 19 May 2006.
8. А. А. Абрамов, А. В. Бутковский, Эффекты немонотонности и изменения знака потока энергии в переходном режиме в задаче Куэтта с теплопередачей// Изв. РАН. МЖГ. 2010. №1. C.67.
9. А. А. Абрамов, А. В. Бутковский, Эффекты немонотонности потока энергии и нормального импульса в переходном режиме в задаче Куэтта при больших числах Маха // ТВТ, 48, №2, 274 (2010).
10. Ivanov I.E., Kryukov I.A., Timokhin M.Yu., Bondar Ye.A., Kokhanchik A.A., Ivanov M.S. Study of Shock Wave Structure by Regularized Grad’s Set of Equations // Proc. of 28th Int. Symp. on Rarefied Gas Dynamics, edited by M. Mareschal and A. Santos, Melville, New York, 2012, Pp. 215222.
11. Тимохин М.Ю., Иванов И.Э., Крюков И.А. Применение системы моментных уравнений для математического моделирования газовых микротечений // Журнал вычислительной математики и математической физики, 2013, №10, том 53, № 10, C. 1721–1738.
12. В. Я. Рудяк, А.А. Белкин, В. В. Егоров, Д.А. Иванов Моделирование течений в наноканалах методом молекулярной динамики// Наносистемы: физика, химия, математика, 2011, 2 (4), C. 100–112.
13. Aktas, Ekin O. Ozgur, Hakan Deniz, Enes Korkut & Mehmet Bayindir Arrays of indefinitely long uniform nanowires and nanotubes. – Nature Materials. – V.10. – P. 494–501 (2011); doi:10.1038/nmat3038.
14. Ceccio, S. L. 2010 Friction drag reduction of external flows with bubble and gas injec-tion. Annu. Rev.Fluid Mech. 42, 183–203.
15. Lay, K. A., Ryo, Y., Simo, M., Perlin, M. & Ceccio, S. L. 2010 Partial cavity drag re-duction at high Reynolds numbers. J. Ship Res. 54, 109–119.
16. Jimenez, J. 2004 Turbulent flows over rough walls. Annu. Rev. Fluid Mech. 36, 173–196. Jung, Y. C. & Bhushan, B. 2010 Biomimetic structures for fluid drag reduction in laminar and turbulent flows. J. Phys.: Condens. Matter 22, 035104.
17. Walsh, M. J. 1982 Turbulent boundary layer drag reduction using riblets. AIAA Paper 1982-0169.
18. Ou, J., Perot, B. & Rothstein, J. P. 2004 Laminar drag reduction in microchannels using ultrahydrophobic surfaces. Phys. Fluids 16, 4635–4643.
19. Choi, C.-H. & Kim, C.-J. 2006 Large slip of aqueous liquid flow over a nanoengineered superhydrophobic surface. Phys. Rev. Lett. 96, 066001.
20. Choi, C.-H., Ulmanella, U., Kim, J., Ho, C.-M. & Kim, C.-J. 2006 Effective slip and friction reduction in nanograted superhydrophobic microchannels. Phys. Fluids 18, 087105.
21. Rothstein, J. P. 2010 Slip on superhydrophobic surfaces. Annu. Rev. Fluid Mech. 42, 89–109.
22. Samaha, M. A., Tafreshi, H. V. & Gad-el-Hak, M. 2012b Superhydrophobic surfaces: from the lotus leaf to the submarine. C.R. Mec. 340, 18–34.
23. Lee, C., Choi, C.-H. & Kim, C.-J. 2008. Structured surfaces for a giant liquid slip. Phys. Rev. Lett. 101, 064510.
24. Lee, C. & Kim, C.-J. 2009. Maximizing the giant liquid slip on superhydrophobic mi-crostructures by nanostructuring their sidewalls. Langmuir 25, 12812–12818.
25. Lee, C. & Kim, C.-J. 2011. Underwater restoration and retention of gases on superhy-drophobic surfaces for drag reduction. Phys. Rev. Lett. 106, 014502.
26. Lee, C. & Kim, C.-J. 2012. Wetting and active dewetting processes of hierarchically constructed superhydrophobic surfaces fully immersed in water. J. Microelectromech S. 21, 712–720.
27. Hyungmin Park, Guangyi Sun and Chang-Jin Kim. Superhydrophobic turbulent drag reduction as a function of surface grating parameters, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 747, May 2014, pp. 722-­734
28. Lee, C Kim, CJ. Underwater restoration and retention of gases on superhydrophobic surfaces for drag reduction, Physical Review Letters, 106(1)
29. Lauga, E. & Stone, H. 2003 Effective slip in pressure-driven stokes flow. J. Fluid Mech. 489, 55–77.
30. Maynes, D., Jeffs, K., Woolford, B. & Webb, B. W. 2007 Laminar flow in a micro-channel with hydrophobic surface patterned microribs oriented parallel to the flow direction. Phys. Fluids 19, 093603.
31. Markov A. A. Jump-Slip simulation technique for combustion in submicron tubes and submicron pores. // Computers and Fluids 99C (2014), Pp. 83-92.
32. А.А. Марков, М.А. Обосян, К.С. Мартиросян. Исследование синтеза ферритов за волной горения с применением моделей скольжения и скачков температуры и концентраций компонент газовой фазы на поверхности пор твердой фазы. // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. Physical-Chemical Kinetics in Gas Dynamics 2015 V16 (1) http://chemphys.edu.ru/issues/2015-16-1/articles/506/
33. A.A. Марков. О тепло- и массопереносе в каналах с нанонитями. //Материалы Одиннадцатой Международной конференции по Неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ'2016), 25-31 мая 2016г., Алушта. М. Изд-во МАИ. C. 95-97. ISBN 978-5-4316-0300-6
34. A.A. Марков. Об интенсификации переноса газа при внедрении субмикронных нитей в канал//представлена в Доклады АН 2016.