Объёмная вязкость в углекислом газе
Мехоношина М. А.
Исследование поддержано РФФИ, проект № 18-31-00110, 2018 – 2019 гг.
В настоящее время большое внимание уделяется поддержке молодых ученых. Например, РФФИ проводит конкурс "Мой первый грант". В прошлом году мой проект "Объёмная вязкость в углекислом газе", участвовавший в этом конкурсе, был поддержан. Чем интересна эта тема? Во-первых, углекислый газ, а во-вторых, объемная вязкость!
Исследования, посвященные углекислому газу, на данный момент очень востребованы по двум причинам: желание человечества "освоить" Марс и необходимость контролировать содержание CO2 в атмосфере нашей планеты. Про углекислый газ существует множество научно-популярных источников, про него есть что почитать. Однако эта сложная молекула до сих пор исследована недостаточно.
А что же с объемной вязкостью? Статья в Википедии, посвященная объемной вязкости, состоит из шести строк и сообщает, что объемная вязкость - это "в целом мало изученный параметр". С точки зрения неравновесной газовой динамики, объемная вязкость характеризует передачу энергии между поступательным движением частиц и внутренними степенями свободы вследствие релаксационных процессов и входит в нормальные компоненты тензора напряжений. Но изучена она, действительно, мало. Обычно при описании процессов переноса в газах этой величиной пренебрегают.
Почему мы заинтересовались величиной, которой принято пренебрегать? В некоторых недавних исследованиях (например, Cramer, M. S. Numerical estimates for the bulk viscosity of ideal gases, Phys. Fluids 24, 066102, 2012) утверждается, что объемная вязкость в углекислом газе при комнатной температуре может в сотни и тысячи раз превышать сдвиговую вязкость и, следовательно, давать заметный вклад в нормальные напряжения. Однако мы не видим физических причин для такой большой объемной вязкости, так как при низких температурах релаксационные процессы обычно заморожены. Нам стало интересно перепроверить данный результат.И что же у нас в итоге получилось? Мы построили строгую теоретическую модель и посчитали коэффициент объемной вязкости в углекислом газе при температурах от 200 до 2000 К в однотемпературном приближении метода Энскога-Чепмена. Получилось, что максимальное отношение сдвиговой вязкости к объемной вязкости, полученное при использовании точной модели, составляет около 3 при T=2000 K. Таким образом, не подтверждаются высокие значения коэффициента объемной вязкости при низких температурах, полученные на основании приближенных моделей.
Кто еще занимается изучением объемной вязкости в мире?
Здесь можно почитать об экспериментах:
- G. J. Prangsma, A. H. Alberga, and J. J. M. Beenakker,Physica 64, 278–288 (1973).
- P. W. Hermans, L. J. F. Hermans, and J. J. M. Beenakker, Physica A 122(1–2), 173–211 (1983).
- X. Pan, M. N. Shneider, and R. B. Miles, Phys. Rev. A 69, 033814 (2004).
- Z. Gu and W. Ubachs, Opt. Lett. 38(7), 1110–1112 (2013).
А здесь - о теоретических исследованиях:
- G. Emanuel, Phys. Fluids 2, 2252–2254 (1990).
- G. Billet, V. Giovangigli & G. de Gassowski, Combustion Theory and Modelling, 12 (2), 221-248 (2008).
- E. Kustova, AIP Conf. Proc. 1084, 807–812 (2009).
- D. Bruno and V. Giovangigli, Phys. Fluids 23, 093104 (2011).
- M.S. Cramer, Phys. Fluids 24, 066102 (2012).
Основной результат проекта опубликован в Physics of Fluids: