Дисертаційна робота присвячена дослідженню теплогідродинамічних процесів в пористих середовищах та в пористих мікроканальних системах різної геометрії.
Запропоновано аналітичні та чисельні методи моделювання теплофізичних процесів в пористих мікросистемах. Підхід суцільного середовища використано з урахуванням граничних умов проковзування першого та другого порядку, що дозволяє розширити діапазон використання числа Кнудсена. Метод ґрат Больцмана (LBM) застосований для пласких і круглих мікроканалів з урахуванням пористості та умов проковзування. Використовуючи метод ренормалізаційних груп, розвинена мікроскопічна модель турбулентності для пористих середовищ. На основі цієї моделі, виведено вираз для ефективної кінематичної в'язкості з урахуванням пористості середовища. Метод збурень використано для вивчення гідродинамічної та теплової нестійкості. Зазначену аналітичну методику адаптовано для аналізу нестійкості, які виникають при врахуванні різних фізичних та геометричних умов (пористість, проковзування, та інше).
Наведено результати дослідження гідродинамічної нестійкості течії в пористому середовищі на основі тривимірних лінійних збурень та в пористих мікроканалах на основі двовимірних лінійних збурень. Показано збільшення критичних значень числа Рейнольдса зі збільшенням проковзування та зменшенням пористості, що зумовлено зростанням ступеню заповнення профілю швидкості. Визначено критерій нестійкості течії з урахуванням нелінійних ефектів, який дозволив знайти граничне значення пористості, при якому може розвинутись турбулентність. Досліджено гідродинамічну нестійкість потоку з проковзуванням в криволінійному пористому мікроканалі між двома нерухомими концентричними циліндрами. Розрахунки показали, що збільшення коефіцієнта проковзування, пористості середовища і ширини каналу призводить збільшення заповненості профілю швидкості незбуреного потоку. Це, в свою чергу, призводить до збільшення критичних значень числа Діна і критичної довжини хвилі збурення, які визначають критерії нестійкості для потоку.
Досліджено гідродинаміку та теплообмін при змішаній конвекції в вертикальному, пласкому та циліндричному мікроканалах з пористою структурою враховуючи граничні умови проковзування першого порядку. Вплив числа Кнудсена більш виражений в пристінній області, в центральній частині каналу переважає вплив числа Релея. При малих числах Релея зменшення пористості інтенсифікує теплопередачу, а при великих значеннях числа Релея тенденція змінюється на протилежну. Ефекти мікротечій більше виражені при вимушеній конвекції. Причому в круглому каналі ця тенденція відчутніша тому, що в круглому каналі рідина стикається зі стінкою по всьому поперечному перерізу, тоді як в пласкому каналі тільки дві стінки контактують з рідиною, що значно послаблює вплив вільної конвекції. Порівняння аналітичних результатів з чисельними результатами на основі методу грат Больцмана показало розбіжність менше 1%.
Проведено аналітичні та чисельні дослідження теплообміну і гідродинаміки при примусовій конвекції в вертикальному пласкому та циліндричному пористих мікроканалах с граничними умовами проковзування другого порядку. Зменшення пористості викликає посилення теплопередачі. При високих числах Прандтля стрибок температури на стінці практично вироджується, що призводить до збільшення швидкості передачі тепла зі збільшенням числа Кнудсена. При малих числах Прандтля вплив параметрів другого порядку не спостерігався.
В цілому в роботі показано, що запропоновані чисельні та аналітичні методи моделювання дозволяють враховувати та аналізувати вплив ряду фізичних та геометричних параметрів на теплообмін та гідродинаміку в мікропористих структурах. Також вони дають змогу визначати режими течії в зазначених мікроструктурах. Результати досліджень можуть бути використані при проектуванні та створенні нових мікроканальних систем, а також дають змогу оптимізувати найефективніші режимні робочі параметри вже існуючих систем.
Ключові слова: чисельне моделювання, аналітичне моделювання, теплообмін, гідродинаміка, пористість, мікроканал, проковзування.
