Моделирование диссипативных процессов в закрытых и открытых гидродинамических системах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Обсуждается моделирование процессов переноса как в закрытых, так и в открытых гидродинамических системах. Основное внимание уделяется рассмотрению соответствующих механизмов. Показано, что в слабо неравновесных системах диссипативные процессы обусловлены микроскопическими тепловыми молекулярными флуктуациями, а их необратимость связана с непотенциальным характером межмолекулярных взаимодействий. В открытых гидродинамических системах при достаточно больших скоростях сдвига реология флюида меняется. Характер этих изменений продемонстрирован с помощью метода молекулярной динамики. Показано, что с ростом скорости сдвига как простая жидкость, так и наножидкости становятся псевдопластичными. В последнем случае критическая скорость сдвига изменения реологии зависит от концентрации наночастиц и их размера. Однако при достаточно больших скоростях сдвига диссипативные процессы перестают зависеть от размеров внутренних структурных элементов среды. Ее вязкость резко падает. Во всех случаях изменение реологии связано с трансформацией структуры среды, в частности, с деградацией ближнего порядка.

Об авторах

В. Я. Рудяк

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет; Сибирский федеральный университет

Email: valery.rudyak@mail.ru
Новосибирск, Россия; Новосибирск, Россия

Список литературы

  1. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987. 831 с.
  2. Лойцянский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической механики. Т. 2. М.: Дрофа, 2006. 719 с.
  3. Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкости. М.: Мир, 1973. 758 с.
  4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.
  5. Седов Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1970. 492 с.
  6. Гроот де С., Мазур П. Неравновесная термодинамика. М.: Мир, 1964. 456 с.
  7. Арнольд В.И. Математические методы классической механики. М.: Наука, 1974. 431 с.
  8. Рудяк В.Я. Статистическая аэрогидромеханика гомогенных и гетерогенных сред. Т. 1. Кинетическая теория. Новосибирск: НГАСУ, 2004. 320 с.
  9. Бэкингем Э., Клаверье П., Рейн Р. и др. Межмолекулярные взаимодействия: от двухатомных молекул до биополимеров. М.: Мир, 1981. 694 с.
  10. Sinai Ya.G. Dynamical systems. Collection of papers. Singapore: World Scientific, 1991. 673 p.
  11. Заславский Г.М. Стохастичность динамических систем. М.: Наука, 1984. 271 с.
  12. Лихтенберг А., Либерман М. Регулярная и стохастическая динамика. М.: Мир, 1984. 528 с.
  13. Зубарев Д.Н. Неравновесная статистическая термодинамика. М.: Наука, 1971. 415 с.
  14. Зубарев Д.Н., Морозов В.Г., Репке Г. Статистическая механика неравновесных процессов. М.: Физматлит, 2002. 431 с.
  15. Климонтович Ю.Л. Статистическая теория открытых систем. М.: ТОО Янус, 1995. 567 с.
  16. Кадомцев Б.Б. Динамика и информация. М.: УФН, 1999. 397 с.
  17. Чепмен С., Каулинг Е. Математическая теория неоднородных газов. М.: Изд-во иностр. лит., 1960. 510 с.
  18. Burnett D. The distribution of molecular velocities in a slightly non-uniform gas // Proc. London Math. Soc. 1935. V. 39. № 6. P. 385–430.
  19. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer simulation of liquids. Oxford: University Press, 2017. 640 p.
  20. Chandler D. Introduction to modern statistical mechanics. Oxford: Univ. Press, 1987. 286 p.
  21. Рудяк В.Я. Статистическая аэрогидромеханика гомогенных и гетерогенных сред. Т. 2. Гидромеханика. Новосибирск: НГАСУ, 2005. 468 с.
  22. Kubo R. Statistical-mechanical theory of irreversible processes. I. General theory and simple applications to magnetic and conduction problems // J. Phys. Soc. Japan. 1957. V. 12. № 6. P. 570–584. https://doi.org/10.1143/JPSJ.12.570
  23. Kubo R., Yokota M., Nakajima S. Statistical-mechanical theory of irreversible processes. II. Reaction on thermal disturbances // J. Phys. Soc. Japan. 1957. V. 12. № 11. P. 1203–1226. https://doi.org/10.1143/JPSJ.12.1203
  24. Green H.S. Theories of transport in fluids // J. Math. Phys. 1961. V. 2. № 2. P. 344–348. https://doi.org/10.1063/1.1703720
  25. Lebowitz J.L. Hamiltonian flows and rigorous results in non-equilibrium statistical mechanics // Statistical mechanics, new concepts, new problems, new applications. Proc. of I.U.P.A.P. Conf. on Statistical Mech. Chicago: University Press, 1971. P. 41–66.
  26. Резибуа П., Леннер де М. Классическая кинетическая теория жидкостей и газов. М.: Мир, 1980. 423 с.
  27. Ernst M.H. Formal theory of transport coefficients to general order in the density // Physica. 1966. V. 32. № 2. P. 209–243. https://doi.org/10.1016/0031-8914(66)90055-3
  28. Хонькин А.Д. Уравнения для пространственно-временных и временных корреляционных функций и доказательство эквивалентности результатов методов Чепмена–Энскога и временных корреляционных функций // ТМФ. 1970. Т. 5. № 1. С. 125–135.
  29. Thompson A.P., Aktulga H.M., Berger R. et al. LAMMPS — A flexible simulation tool for particle-based materials modelling at the atomic, meso, and continuum scales // Comp. Phys. Comm. 2022. V. 271. P. 108171. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108171
  30. Lide D.R. (ed.) Handbook of chemistry and physics. CRC, 2010. 2760 p.
  31. Bird R.B., Armstrong R.C., Hassager O. Dynamics of polymeric liquids. V.1. Fluid mechanics. N.-Y.: Wiley, 1987. 649 p.
  32. Tanner R.I., Walters K. Rheology: an historical perspective. Amsterdam: Elsevier, 1998. 255 p.
  33. Chhabra R.P., Richardson J.F. Non-Newtonian flow and applied rheology. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2008. 536 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-7506-8532-0.X0001-7
  34. Mewis J., Wagner N.J. Colloidal suspension rheology. Cambridge: University Press, 2011. 393 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511977978
  35. Maxwell J.C. A treatise on electricity and magnetism. Oxford: Clarendon Press, 1881. 528 p. https://doi.org/treatiseonelectr01maxwrich
  36. Einstein A. Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen // Ann. Phys. 1906. V. 324. P. 289–306. https://doi.org/10.1002/andp.19063240204
  37. Minakov A.V., Rudyak V.Yа., Pryazhnikov M.I. Rheological behavior of water and ethylene glycol based nanofluids with oxide nanoparticles // Colloids& Surfaces A: Physicochem.&Engin. Aspects. 2018. V. 554. P. 279–285. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.06.051
  38. Rudyak V.Ya. Thermophysical characteristics of nanofluids and transport process mechanisms // J. Nanofluids. 2019. V. 8. P. 1–16. https://doi.org/10.1166/jon.2019.1561
  39. Rudyak V., Minakov A., Pryazhnikov M. Preparation, characterization, and viscosity studding the single-walled carbon nanotube nanofluid // J. Molecular Liquids. 2021. V. 329. P. 115517. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.115517
  40. Rudyak V.Ya., Dashapilov G.R., Minakov A.V. et al. Comparative characteristics of viscosity and rheology of nanofluids with multi-walled and single-walled carbon nanotubes // Diamond Related Mat. 2023. V. 132. P. 109616. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2022.109616
  41. Rudyak V.Ya., Minakov A.V., Pryazhnikov M.I.Rheology and thermal conductivity of nanofluids with carbon nanotubes // Adv. Material Sci Research. 2022. V. 66. P. 1–92.
  42. Рудяк В.Я., Краснолуцкий С.Л. Диффузия наночастиц в разреженном газе // ЖТФ. 2002. Т. 72. № 7. С.13–20.
  43. Рудяк В.Я., Краснолуцкий С.Л., Иванов Д.А. О потенциале взаимодействия наночастиц // Доклады Академии наук. 2012. Т. 442. № 1. С. 54–56.
  44. Stuart S.J., Tutein A.B., Harrison J.A. A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions // J. Chem. Phys. 2000. V. 112. № 14. P. 6472–6486. https://doi.org/10.1063/1.481208
  45. Batchelor G.K. The effect of Brownian motion on the bulk stress in a suspension of spherical particles // J. Fluid Mech. 1977. V. 83. № 01. P. 97–117. https://doi.org/10.1017/S0022112077001062
  46. Minakov A.V., Rudyak V.Ya., Pryazhnikov M.I. Systematic experimental study of the viscosity of nanofluids // Heat Transfer Eng. 2020. V. 42. № 10. P. 1–17. https://doi.org/10.1080/01457632.2020.1766250
  47. Монтролл Е.В. О статистической механике процессов переноса // Термодинамика необратимых процессов. М.: ИЛ, 1962. С. 233–283.
  48. Lattinger J.M. Theory of thermal transport coefficients // Phys. Rev. A. 1964. V. 135. № 6. P. 1505–1514.
  49. Рудяк В.Я., Белкин А.А., Иванов Д.А. и др. Моделирование процессов переноса на основе метода молекулярной динамики. Коэффициент самодиффузии // ТВТ. 2008. Т. 46. № 1. С. 35–44.
  50. Rudyak V. Diffusion of nanoparticles in gases and liquids // Handbook of Nanoparticles, 2015. P. 1–21. https://doi.org/10.1007/978-3-319-13188-7_54-1
  51. Belkin A., Rudyak V., Krasnolutskii S. Molecular dynamics simulation of carbon nanotubes diffusion in water // Mol. Simulation. 2022. V. 48. № 9. P. 752–759. https://doi.org/10.1080/08927022.2022.2053119
  52. Ikeshoji T., Hafskjold B. Non-equilibrium molecular dynamics calculation of heat conduction in liquid and through liquid-gas interface // Mol. Phys. 1994. V. 81. № 2. P. 51–261. https://doi.org/10.1080/00268979400100171
  53. Evans D.J., Morris G.P. Statistical mechanics of nonequilibrium liquids. Canberra: Australian National University, 2007. 296 p. https://doi.org/10.1016/C2013-0-10633-2
  54. Muller-Plathe F. A simple nonequilibrium molecular dynamics method for calculating the thermal conductivity // J. Chem. Phys. 1997. V. 106. № 14. P. 6082–6085. https://doi.org/10.1063/1.473271
  55. Jabbari F., Rajabpour A., Saedodin S. Thermal conductivity and viscosity of nanofluids: A review of recent molecular dynamics studies // Chem. Eng. Sci. 2017. V. 174. P. 67–81. https://doi.org/10.1016/j.ces.2017.08.034
  56. Rudyak V.Yа., Pryazhnikov M.I., Minakov A.V. et al. Comparison of thermal conductivity of nanofluids with single-walled and multi-walled carbon nanotubes // Diamond Related Mat. 2023. V. 139. P. 110376.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025