Тепломасообмін та гідродинаміка в парорідинних дисперсних середовищах. Теплофізичні основи дискретно-імпульсного введення енергії

На основі аналізу відомих нерівноважних моделей, що описують парорідинні потоки, відзначено основні недоліки цих моделей. 1) Моделі по суті не можна розлядати як нерівноважні, оскільки в них постулюється умови термічної рівноваги пари з оточуючою рідиною, рівність тисків, а іноді й швидкостей руху обох фаз. 2) Апріорно прийняті припущення про квазірівноважність виключають принципову можливість застосування таких моделей для аналізу динамічних ефектів в скипаючих потоках. 3) Для розрахунку витратних характеристик потоку в кожному випадку необхідно проведення попередніх дослідів для одержання необхідної інформації. 4) В моделі парорідинних потоків формально і необгрунтовано вводять відомі положення газодинамічних моделей, які описують однофазні потоки. 5) Деякі закономірності, притаманні скипаючим потокам, не витікають із самих моделей, а вводяться в них заздалегідь.

Запропоновано принципово новий підхід до побудови нерівноважної моделі, який враховує ці недоліки і забезпечує більш коректне застосування початкових припущень. Модель АСП, що описує стаціонарне і нестаціонарне витікання адіабатно скипаючої рідини, базується на рівняннях моделей ДОБ і ДБА. Потік скипаючої рідини в каналі можна трактувати як ансамбль бульбашок у процесі його релаксації до стану термодинамічної рівноваги у відповідності до розглянутого у попередньому розділі взаємозв'язку між інтенсивністю зростання об'єму парової фази і тиском у рідинній фазі , причому в даному випадку змінення відбувається не тільки в часових, але й в просторових координатах.

Нестаціонарне витікання скипаючої рідини з каналу розглянуто в такій постановці. Закритий з обох кінців канал заповнено рідиною з температурою у стані насичення (). Рідина суттєво перегріта відносно зовнішнього тиску (). В момент =0 відбувається розгерметизація каналу на одному з його кінців і в шар рідини, який межує з газовим середовищем, передається зовнішній тиск . Це спричинює формування та зростання бульбашок у цьому шарі і, у відповідності з розглянутою вище схемою, веде до встановлення там величини тиску . Це значення , в свою чергу, визначає швидкість наростання парової фази в сусідньому шарі у напрямку до закритого кінця каналу і поточну величину тиску у цьому шарі.

Канал поділено по довжині на однакових зон з фіксованими границями, а нумерація зон починається з відкритого кінця каналу. Для кожної -ї зони одночасно вирішується система рівнянь моделі ДБА і визначається своє значення . Інтенсивність пароутворення в кожній -й зоні зумовлена величиною тиску в сусідній зоні . За такою схемою відбувається передача тиску уздовж каналу, так що тиск у напрямку закритого кінця асимптотично наближується до величини . У межах кожної зони враховано втрати тиску на тертя на стінках каналу, що дозволяє врахувати загальні втрати на тертя. Поточні величини теплофізичних і кінематичних параметрів у сусідніх зонах відрізняються між собою. На черговому кроці розрахунку в кожній зоні за допомогою наведених у роботі співвідношень проводиться перегрупування параметрів і їх осереднення по об'єму зони з урахуванням частини двофазної суміші, що залишилася в -й зоні, і тієї частини, яка прийшла із сусідньої зони. Швидкість зростання бульбашок в -й зоні визначає темпи збільшення об'єму парорідинної суміші в цій зоні, так що загальні витрати потоку і лінійна швидкість витікання у вихідному перерізі каналу розраховуються шляхом підсумовування локальних витрат і швидкостей усіх зон.

Якщо другий кінець каналу буде відкритим і з'єднаним з необмежено великою ємкістю, яка містить рідину із заданими параметрами гальмування , , і , така схема має описувати перехід від нестаціонарного витікання рідини внаслідок раптової розгерметизації каналу до стаціонарного її витікання з великої ємкості в атмосферу з тиском . В рамках цієї моделі можна оцінити змінювання в часі і по довжині каналу таких параметрів, як , , , , , , , , а також масові витрати рідини і пари на будь-якій стадії процесу. Окрім того, у наближенні моделі ПДША можна розглянути характер мікротечій в міжбульбашковому просторі потоку і розрахувати локальні значення параметрів і .

На базі моделі АСП проведено комплекс обчислювальних експериментів по дослідженню витікання скипаючої води через коротку циліндричну трубу (=10) у широкому інтервалі зміни параметрів на вході в канал (=293613 К, , =10⁵10⁸ кг^-1) і протитиску (від 0,01 МПа до ). Визначено розподіл параметрів потоку по довжині каналу для довільного моменту часу і змінення параметрів у часі у будь-якому перерізі труби.

На рис.14 показано розподіл тиску в рідинній фазі потоку в різні моменти часу - на стадії проходження первісної хвилі розрідження відразу після розгерметизації каналу (а) і на наступних стадіях нестаціонарного витікання (б) для одного з режимів. Результати розрахунків коректно описують закономірності процесу і узгоджуються з відомими експериментальними і теоретичними результатами інших авторів.

Одержано нову інформацію стосовно особливостей витікання скипаючої рідини в стаціонарному і нестаціонарному режимах. На рис.15 показано, що величини тисків в обох фазах упродовж більшої частини довжини каналу майже не відрізняються, але з наближенням до вихідного перерізу тиск пари починає суттєво перевищувати тиск в рідині . Саме в цих зонах максимально проявляється нерівноважність потоку і створюються найпотужніші динамічні ефекти.

Вперше досліджено характер змінювання витрати потоку на стадії переходу від нестаціонарного до стаціонарного режиму. Як видно з рис.16, витрати потоку на цій стадії досягають екстремально великих значень, причому величини тим більші, а тривалість перехідної стадії тим менша, чим вища температура на вході в трубу . Для заданих амплітудні величини , а також стаціонарні витрати потоку зростають із збільшенням ступеня недогріву води.

Досліджено особливості витікання скипаючих потоків в критичному режимі, коли величина протитиску, починаючи з певного значення , не впливає на величину витрати потоку (при ). Незважаючи на принципову відсутність будь-яких припущень відносно умов переходу процесу до критичного режиму, модель АСП адекватно відтворює ефект запирання потоку (=const при ). Результати обчислювальних експериментів по дослідженню витікання скипаючих потоків в критичному режимі погоджуються з результатами інших дослідників. Разом з тим встановлено нові закономірності витікання у критичному режимі, які до цього часу ще не знайшли відображення в літературі.

Всупереч припущенням деяких авторів про неможливість існування критичного режиму при 0,2 МПа доведено, що цей режим реалізується при будь-яких , якщо величина забезпечує скипання рідини в каналі. Показано також, що навіть за умов запирання стаціонарного потоку (=const) термодинамічні параметри усередині каналу змінюються із змінюванням протитиску в інтервалі 0. Підвищення веде до зростання і зменшення у довільному перерізі каналу. Це свідчить про те, що механізми запирання газових потоків і скипаючих потоків принципово різні.

Як показано на рис.17, при стабілізації стаціонарного витікання скипаючої води в критичному режимі раптова зміна протитиску в інтервалі 0 за короткий час =10 мкс (пунктир) спричинює стрибок витрати потоку у формі імпульсу з тривалістю 200 мкс і амплітудою , після чого величина знову повертається до попереднього значення (а), але вже при нових значеннях параметрів і усередині каналу (б).

Різке змінення протитиску передається углиб каналу у формі затухаючого імпульсу тиску . Найбільше змінення величини і тривалості цього імпульсу спостерігається поблизу вихідного перерізу каналу (5). Швидкість переміщення імпульсу в трубі назустріч потоку швидко зростає в міру його віддалення від вихідного отвору, поступово наближуючись до швидкості звуку у чистій воді. Швидкість переміщення імпульсу зростає із зменшенням вздовж каналу величини . За будь-яких умов швидкість розповсюдження в каналі імпульсу збурення тиску набагато перевищує швидкість зустрічного потоку.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

У дисертації наведено аналітичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що виявляється у розробці і обгрунтуванні нового підходу до вивчення закономірностей протікання тепломасообмінних та гідродинамічних процесів в парорідинних системах бульбашкової структури. У рамках запропонованого підходу, який базується на детальному урахуванні основних фізичних і термодинамічних факторів, які зумовлюють особливості протікання цих процесів на мікрорівні, розроблено уніфіковані математичні моделі, котрі з єдиних позицій описують динаміку одиничної бульбашки і бульбашкових ансамблів. В результаті виконання дисертаційної роботи створено ефективний і надійний інструмент дослідження закономірностей поведінки парових бульбашок і бульбашкових структур у явищах кавітації та кипіння, що забезпечує можливість отримання нової корисної інформації стосовно природи механізмів і процесів, які спричиняють виникнення потужних динамічних ефектів, притаманних цим явищам, і дозволяє суттєво розширити наші уявлення про природу цих явищ. Створені математичні моделі використовуються при визначенні динамічних та енергетичних показників конкретних масообмінних та диспергуючих апаратів, а також для аналізу технологічних процесів з метою контролю і оптимального управління. На базі цих моделей створено науково обгрунтовані методики розрахунків роботи апаратів і технологічних ліній, які базуються на ідеології принципу ДІВЕ.

1. Обгрунтовано переваги принципу дискретно-імпульсного введення енергії як перспективного способу інтенсифікації гідромеханічних і масообмінних процесів в дисперсних рідинних середовищах, що забезпечує суттєве зменшення непродуктивних витрат енергії. Сформульовано загальні критерії ефективності механізмів ДІВЕ стосовно їх практичного використання для інтенсифікації технологічних процесів.

2. На основі термодинамічного аналізу протікання нерівноважних процесів у парорідинних середовищах розроблено універсальну математичну модель динаміки одиничної бульбашки (модель ДОБ), яка без введення обмежуючих припущень однаково точно відображує поведінку парових і парогазових бульбашок в усьому температурному інтервалі існування рідинної фази.

3. Розглянуто модифікацію традиційного інтегрального методу вирішення нестаціонарних задач теплопровідності, що розширює область застосування цього методу. На цій основі розроблено математичну схему, яка у разі включення її до структури моделі ДОБ дозволяє набагато точніше відображати поведінку пульсуючих бульбашок у явищах кавітації.

4. Порівняння результатів розрахунків по моделі ДОБ з результатами експериментів різних авторів підтверджує здатність моделі адекватно описувати поведінку бульбашок у явищах кипіння, вибухового скипання, гідродинамічної, парової та акустичної кавітації без застосування додаткових припущень. Модель ДОБ передбачає результати дослідів з кращим наближенням, ніж моделі інших авторів.

5. Чисельний аналіз результатів експериментальних досліджень динаміки бульбашок у явищах кипіння і кавітації за допомогою моделі ДОБ дає змогу виявити нові, невідомі раніше закономірності поведінки бульбашок.

6. Вперше детально вивчено особливості поведінки бульбашок у явищах парової кавітації і проаналізовано ступінь впливу режимних параметрів на динамічні характеристики бульбашок.

7. Визначено механізми переходу процесу стабільної пульсації бульбашок в акустичному полі у режим розвиненої кавітації і запропоновано простий метод розрахунку порогових величин параметрів, які визначають початок розвиненої кавітації.

8. Вперше виявлено наявність ефекту розходження двох пульсуючих в акустичному полі бульбашок, що суперечить відомому закону Бйоркнеса про силову взаємодію пульсуючих бульбашок.

9. Запропоновано і обгрунтовано гіпотезу термічної нестабільності парових бульбашок, яка логічно пояснює причини руйнування бульбашок в процесах кавітації.

10. Створено принципово нову модель ДБА, яка описує закономірності розвитку ансамблю бульбашок внаслідок швидкої зміни зовнішнього тиску. За допомогою моделі одержано нову інформацію стосовно поведінки сукупності парових бульбашок у процесах кипіння і кавітації.

11. Створено модель ПТША, призначену для аналізу структури мікротечій в міжбульбашковому просторі ансамблю і для визначення локальних величин тиску та вектора швидкості таких мікротечій. Навіть за умов помірного розвинення ансамблю градієнти цих величини можуть набувати аномально великих значень.

12. Запропоновано новий підхід до розробки математичних моделей парорідинних потоків, який, на відміну від існуючих підходів, забезпечує урахування усіх факторів нерівноважності і коректний опис фізики процесу. В рамках цього підходу створено модель АСП, яка базується на рівняннях моделей ДОБ і ДБА і призначена для аналізу процесів витікання скипаючої рідини через канали.

13. Показано, що модель АСП здатна адекватно прогнозувати закономірності процесу стаціонарного і нестаціонарного витікання скипаючих потоків у широкому інтервалі змінення режимних параметрів, а також точно передбачати витратні характеристики таких потоків без проведення попередніх дослідів.

14. На відміну від існуючих моделей модель АСП описує умови переходу до критичного режиму витікання і відтворює ефект запирання потоку без застосування будь-яких первісних припущень. Вперше встановлено, що у критичному режимі витікання зміна протитиску супроводжується змінюванням локальних параметрів двофазного потоку усередині каналу.

15. Вперше одержано інформацію стосовно характеру передачі імпульсу збурення протитиску усередину каналу назустріч потоку в критичному режимі витікання і розраховано швидкість передачі такого сигналу.

16. Наведені у роботі математичні моделі та розроблені на їх основі комп'ютерні програми використовуються при вирішенні практичних задач,при створенні і удосконаленні технологій, що базуються на принципах ДІВЕ. Створені математичні моделі мають знайти широке застосування як точний і надійний інструмент при дослідженні динаміки парорідинних середовищ бульбашкової структури.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛIКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Долинский А.А., Иваницкий Г.К. Оптимизация процессов распылительной сушки. Киев: Наукова думка. 1984. 240 с.

Особистий внесок: участь в обгрунтуванні загальних положень, проведення теоретичних та експериментальних дослiджень, узагальнення результатiв, пiдготовка до друку.

2. Dolinsky A.A., Ivanitsky G.K., Basok B.I. Heat Transfer and Hydrodynamics in an Ensemble of Bubbles on Discharge of Boiling Liquid //Heat Transfer Research. 1993. V.25. №6. P.760-764.

Особистий внесок: планування та проведення дослiджень, узагальнення результатiв.

3. Долинский А.А., Иваницкий Г.К. Теоретическое обоснование принципа дискретно-импульсного ввода энергии. I. Модель динамики одиночного парового пузырька //Пром. теплотехника.- 1995.- Т.17, №5.- С.3-28.

Особистий внесок: обгрунтування концепцiй, розроблення та реалiзацiя ї моделі.

4. Долинский А.А., Иваницкий Г.К. Теоретическое обоснование принципа дискретно-импульсного ввода энергии. II. Исследование поведения ансамбля паровых пузырьков //Пром. теплотехника.- 1996.- Т.18, №1.- С.3-20.

Особистий внесок: Ідея, постановка, розв'язання задачі, проведення аналізу.

5. Долинский А.А., Иваницкий Г.К. Принципы разработки новых энергоресурсосберегающих технологий и оборудования на основе методов дискретно-импульсного ввода энергии //Пром. теплотехника.- 1997. - Т.19, №4-5.- С.24.

Особистий внесок: розробка концепції і методики досліджень, підготовка материалів до публикації.

6. Иваницкий Г.К. Моделирование процессов деформирования и дробления капель при движении в жидкости //Пром. теплотехника.- 1997.- Т.19, №1.- С.8-16.

7. Иваницкий Г.К. Распространение импульса давления в жидкости в трубах переменного сечения //Пром.теплотехника.- 1998.- Т.20, №6.-С.27-32.

8. Иваницкий Г.К. Разрушение капель эмульсии в адиабатно вскипающих потоках //Пром.теплотехника.-.1999.- Т.21, №4-5.- С.10-15.

9. Иваницкий. Г.К., Корчинский А.А., Матюшкин М.В. Математическое моделирование процессов в пульсационном диспергаторе ударного типа //Пром.теплотехника.- 2003.- Т.25, №1.- С.29-34.

Особистий внесок: створення математичної моделi, проведення теоретичних досліджень, пiдготовка до друку.

10. Dolinsky A.A., Ivanitsky G.K. The principle of discrete-pulse energy input - new approach to the development of efficient power-saving technologies //Ann.Review of Heat Transfer. Vol. XIII. 2003. N.-Y, Wallingford (UK): Begell House Inc. -P.

Особистий внесок: розробка концепції і методики досліджень, участь у проведенні досліджень та аналізі результатів, підготовка материалів до публикації.

11. Долинский А.А., Иваницкий. Г.К. Применение интегрального метода для расчета температурного поля в окрестности осциллирующего парового пузырька //Пром.теплотехника.- 2003.- Т.25, №3.- С.5-9.

Особистий внесок: розроблення математичної моделi, обгрунтування теоретичних концепцiй, проведення розрахунків.

12. Иваницкий Г.К. Наномасштабные эффекты в процессах кавитации. I. Паровая кавитация //Пром.теплотехника.- 2003.- Т.25, №4.- С.15-20.

13. Иваницкий Г.К. Наномасштабные эффекты в процессах кавитации. II. Критерий разрушения кавитационных пузырьков //Пром.теплотехника.- 2003.- Т.25, №5.- С.5-11.

14. Иваницкий Г.К Численное исследование динамики пузырьков в явлениях акустической кавитации //Пром.теплотехника.- 2003.- Т.25, №6.- С.22-28

15 Долинский А.А., Иваницкий Г.К. К вопросу определения температуры испарения диспергированного в газовой среде раствора //Физика аэродисп. систем. -К.: Изд-во КГУ. 1973. вып.8. С.27-31.

Особистий внесок: розробка концепції, проведення досліджень, аналіз результатів.

16. Долинский А.А., Иваницкий Г.К. О распределении концентрации в капле раствора при интенсивном испарении // Физика аэродисп. систем- К.: Изд-во КГУ.- 1975.- вып.13.- С.19-24.

Особистий внесок: проведення теоретичних та експериментальних досліджень, аналіз одержаних результатів.

17. Долинский А.А., Иваницкий Г.К. Внутренние процессы переноса и их влияние на оптимизацию распылительной сушки. //Пром. теплотехника. 1979. Т.1. №1. С.57-65.

Особистий внесок: Аналіз та узагальнення результатів теоретичних і експериментальних досліджень, пiдготовка до публікації.

18. Долинский А.А., Иваницкий Г.К. Экспериментальные и теоретические исследования внутренних тепломассообменных процессов распылительной сушки. //Теплообмен и гидродинамика. -Киев: Наукова думка. 1987. -С.17-35.

Особистий внесок: участь в обгрунтуванні загальних концепцiй, постановка і проведення теоретичних та експериментальних дослiджень, узагальнення результатiв, пiдготовка до друку.

19. Иваницкий Г.К., Онатий И.З. Распределение температур в тонкой полимерной пленке, движущейся в зоне действия коронного разряда.//Пром. теплотехника. Т.2. №1. 1980.

Особистий внесок: створення математичної моделі, теоретичний аналіз результатів експериментальних досліджень.

20. Долинский А.А., Иваницкий Г.К., Малецкая К.Д., Нужный В.М., Рязанов В.В., Шиманский Ю.И. Аналитическое исследование процессов сушки капли раствора, ограниченного тонкой коркой растворенного вещества //Теплофизика и теплотехника. 1978. №35. С.26-29.

Особистий внесок: участь в обгрунтуванні теоретичних концепцiй, постановка та проведення дослiджень, узагальнення результатiв.

21. Иваницкий Г.К., Малецкая К.Д., Нужный В.М., Рязанов В.В.Расчет изменения температуры и влагосодержания в процессе сушки капель раствора //Интенсификация тепловлагопереноса в процессах сушки.-К.:Наук. думка.- 1979.- С.155-161.

Особистий внесок: участь в обгрунтуванні теоретичних концепцiй, постановка та проведення дослiджень, узагальнення результатiв.

22. Долинский А.А., Корчинский А.А., Конфорович А.А., Иваницкий Г.К., Ефимов В.А., Наконечный Н.Ф., Осипов В.П. Способ получения слитков. А.С. №1112642 от 8 мая 1984 г.

Особистий внесок: iдея та участь в розробленнi методу і конструкцiї апарата.

23. Долинский А.А., Николаев Ю.Д., Корчинский А.А., Иваницкий Г.К., Конфорович А.А., Слипченко И.П., Покотило В.В., Камянчук А.Е. Способ получения битумной эмульсионной пасты. Авт. свид. №1504860 от 28.08.1987 г.

Особистий внесок: iдея та участь у розробці нового способу.

24. Dolinsky A.A., Ivanitsky G.K. Vapor-Gas Bubble Dynamics at Discrete-Pulse Energy Injection // Proc. International Seminar on Transient Phenomena in Multiphase Flow.- Dubrovnik (Jugoslavia). - 1987, Part 4.- P.86-92.

Особистий внесок: обгрунтування теоретичних концепцiй, розроблення та реалiзацiя математичних моделей.

25. Dolinsky A.A., Ivanitsky G.K. Heat and mass transfer on the interface at evaporation of fluid drops in air and superheated vapor //Proc. Sixth Intern. Drying Symposium (IDS'88).- Versailles (France).- 1988.- Vol.2, Section C.- P.51-57.

Особистий внесок: обгрунтування теоретичних концепцiй, розроблення та реалiзацiя математичної моделі, проведення розрахунків, пiдготовка до публікації.

26. Иваницкий Г.К. Динамика перегретого парового пузырька в холодной жидкости //Труды II Всесоюзного совещания "Метастабильные фазовые состояния - теплофизические свойства и кинетика реакции". Т.I. Кипение и конденсация.- Свердловск: УрО АН СССР.- 1989.-С.173-174.

27. Иваницкий Г.К. Моделирование динамики паровых и парогазовых пузырьков в многофазных дисперсных системах //Труды YIII Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах". -Ленинград.- 1990 - Т.2.- С.203-205.

28. Долинский А.А., Иваницкий Г.К., Басок Б.И. Исследование тепломассообмена и гидродинамики в ансамбле пузырьков при истечении вскипающей жидкости //Тепломассообмен ММФ-92.-Минск: ИТМО АНБ.- 1992.- Т.4, Ч.1.-С.127-130.

Особистий внесок: участь в обгрунтуванні загальних концепцiй, постановка та проведення теоретичних та експериментальних дослiджень, узагальнення результатiв, пiдготовка до друку.

29. Dolinsky A.A., Ivanitsky G.K. Use of discrete-pulse energy input in various production processes //Proc.Intern. Conf. on Transport Phenomena Science and Technology.- Beijing (China): Higher Education Press. 1992.-P.89-100.

Особистий внесок: розробка концепції і методики досліджень, участь у проведенні досліджень та обробці результатів, підготовка материалів до публикації'.

30. Иваницкий Г.К. Исследование тепломассообмена при осцилляции и схлопывании паровых пузырьков в недогретой жидкости //Тепломассообмен ММФ-96.-Минск: ИТМО АНБ.- 1996.-Т.4, Ч.2.-С.15-19.

31. Dolinsky A.A., Ivanitsky G.K. Collective effects of the behavior of a vapor bubble ensemble in superheated or subcooled liquids //Proc. Intern. Conf. on Transport Phenomena. Science and Technology.- Beijing (China): Higher Education Press.- 1996.-P.225-233.

Особистий внесок: обгрунтування теоретичних концепцiй, розроблення та реалiзацiя математичних моделей, проведення аналітичних досліджень.

32. Иваницкий Г.К. Численное моделирование нестационарного истечения вскипающей жидкости в атмосферу через цилиндрические каналы //Труды II Российской нац. конф. по теплообмену.М.: МЭИ,- 1998.-.Т.4, Кипение, кризисы кипения, закризисный теплообмен, С.141-144.

33. Иваницкий Г.К. Моделирование стационарного и нестационарного истечения адиабатно вскипающей жидкости из коротких каналов //Тепломассообмен ММФ-2000. Минск: ИТМО НАНБ.-2000.-Т.5. С.96-105.

34. Basok B., Dolinsky A., Ivanitsky G., Ryzhkova T. Dynamics of single droplets moving through liquid media //Book of Abstracts of the International Symposium on Liquid-Liquid Two-Phase Flow and Transport Phenomena. 1997, - Antalia (Turkey).- Session 3.- 1997.- P.26-28.

Особистий внесок:: розробка фізичної та математичної моделей, участь у проведенні експериментальних досліджень, аналіз результатів, підготовка матеріалів до публікації.

35. Иваницкий Г.К. Исследование истечения вскипающей жидкости в газовую среду через короткие насадки //Дисперсные системы. XIХ научная конференция стран СНГ. Тезисы докладов. Одесса: Изд-во ОГУ, 2000, С.74-75.

АНОТАЦІЇ

Іваницький Г.К. Тепломасообмін та гідродинаміка в парорідинних дисперсних середовищах. Теплофізичні основи дискретно-імпульсного введення енергії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю -5.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Інститут технічної теплофізики НАН України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена розробці нового підходу до вивчення динаміки парорідинних систем бульбашкової структури у явищах скипання, кавітації, в тому числі і в парорідинних потоках, з метою обгрунтування ефективних методів інтенсифікації технологічних процесів в дисперсних середовищах і створення новітніх енергозберігаючих технологій. Цей підхід базується на детальному аналізі тісної взаємодії нерівноважних термодинамічних процесів, що контролюють поведінку одиничної парової бульбашки під час релаксації парорідинної системи бульбашкової структури до стану рівноваги, а також на максимальному урахуванні усіх теплофізичних та термодинамічних факторів, які визначають специфічний характер динамічних, термічних та енергетичних ефектів, що виникають в парорідинних середовищах. В рамках цього підходу розроблено універсальні математичні моделі, які з єдиних термодинамічних позицій адекватно описують динаміку одиничної бульбашки, динаміку бульбашкових ансамблей і закономірності витікання скипаючої рідини через канали у широкому інтервалі режимних параметрів без застосування обмежуючих припущень. На базі цих моделей розроблено прикладні комп'ютерні програми для вирішення конкретних задач. В результаті проведення великой кількості обчислювальних експериментів одержано нову важливу інформацію і встановлено нові невідомі раніше закономірності поведінки бульбашкових систем у явищах кипіння та кавітації і при витіканні скипаючих потоків в каналах, що дозволило значно розширити наші уявлення про природу і характер цих явищ.

Ключові слова: інтенсифікація, енергозбереження, математичні моделі, тепломасообмін, фазові переходи, динаміка бульбашок, парорідинні системи, кипіння, кавітація, скипаючі потоки.

Иваницкий Г.К. Тепломассообмен и гидродинамика в парожидкостных дисперсных средах. Теплофизические основы дискретно-импульсного ввода энергии. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертация посвящена разработке нового подхода к исследованию динамики парожидкостных систем пузырьковой структуры в явлениях кипения и кавитации, в том числе в парожидкостных потоках, с целью обоснования методов интенсификации технологических процессов в дисперсных средах и созданию новых энергосберегающих технологий. Этот подход базируется на подробном анализе взаимосвязанных неравновесных термодинамических процессов, контролирующих поведение единичного парового пузырька при релаксации парожидкостной системы пузырьковой структуры к равновесному состоянию, а также на максимальном учете всех теплофизических и термодинамических факторов, которые определяют специфический характер динамических, тепловых и энергетических эффектов в развивающихся парожидкостных средах. В рамках этого подхода разработаны универсальные математические модели, которые с единых термодинамических позиций адекватно описывают динамику единичных пузырьков, динамику пузырьковых ансамблей и особенности истечения вскипающей жидкости в каналах в широком интервале изменения режимных параметров и без использования ограничивающих допущений. На основе этих моделей разработаны прикладные компьютерные программы для решения конкретных задач. В результате проведения большого числа вычислительных экспериментов получена новая важная информация и установлены неизвестные ранее закономерности поведения пузырьковых систем в явлениях кипения и кавитации и при истечении вскипающих потоков в каналах, что позволило расширить наши представления о природе и характере этих явлений.

Ключевые слова: интенсификация, энергосбережение, математические модели, тепломассообмен, фазовые переходы, динамика пузырьков, парожидкостные системы, кипение, кавитация, вскипающие потоки.

Ivanitsky G.K. Heat and mass transfer and hydrodynamics in steam-liquid disperse systems. Physical foundations of the discrete and pulse energy input principle. Manuscript.

Thesis for a Doctoral Degree in Engineering Speciality 05.16.04 - Engineering Thermophysics and Industrial Thermoenergetics. - Institute of Engineering Thermophysics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2003.

The main objective of the work is to develop a new approach to modelling of the vapour bubble behaviour both for a single bubble and for bubble systems with respect to examining physical mechanisms of boiling and cavitation phenomena. A comprehensive understanding of bubble dynamics peculiar features is proved to be important to the issue of intensification and control of technological processes in multi component disperse systems.

The thermodynamic aspects of the principle of discrete and pulse energy input (DPEI) as a promising way to enhancement of mass transfer and technological processes in multiphase liquid systems are considered. Energy being put into an operating volume is distributed discretely in space and in time and thus may be realised in local zones of the system in the form of short and high-amplitude pulses. The high intensification levels are achieved due to the dynamical action of bubbles, which either grow, or collapse, or oscillate intensively in the liquid due to ambient pressure rapid change. The dynamically developing bubbles cause appearance of effective DPEI mechanisms. The characteristics of these mechanisms in such phenomena as cavitation, explosion boiling, and other are conditioned by the specific features of the individual bubble behaviour. The DPEI methods appear to be much promising as regards the development of innovative efficient power-saving technologies.

Within the framework of the principle of irreversible thermodynamics a physically realistic universal mathematical model with no adjustable parameters has been produced to predict adequately the behaviour of a single vapour bubble over all the temperature range of liquid phase existence. It has been found that vapour bubble behaviour changes radically depending on the liquid is superheated or subcooled, and the phase change kinetics is of great significance in these phenomena.

On the basis of this model, two other mathematical models have been constructed to analyse the evolution of a vapour bubble ensemble after changing external pressure. Within the framework of the cell model, the ensemble-averaged pressure in the liquid phase has been calculated both for boiling and cavitation. The rate of growth or collapse of the bubbles in these phenomena is found to control the average pressure change. Another model is intended for analyses of micro-flow patterns in liquid phase between the bubbles and allows a detailed description on a microscopic scale both pressure and velocity fields within the ensemble.

A qualitatively new modelling approach is proposed to analyse both stationary and non-stationary flashing flows. This approach, which is completely based on the above ensemble model, treats two-phase bubbly flows in a channel as evolution of a vapour bubble ensemble in time and in space due to pressure difference at the both ends of the channel. On this basis an original mathematical model has been developed, which spreads all over every possible mode of steam-liquid bubbly flows, critical flow included, and takes into account all the non-equilibrium effects such as temperature, pressure and chemical potential differences between both phases. A great deal of attention is given to applications of this model in the description of critical flow regimes.

All the models mentioned have the advantage of possessing a high degree of physical visuality. They are accurate enough for practical design calculation and enable the computation time to be reduced significantly.

Comparison of the numerical results predicted by these models with a variety of published experimental data on the bubble dynamics in boiling and cavitation phenomena, as well as with data on flashing flow behavioural patterns, showed fair agreement. In all cases the models proved to be essentially superior to other known models.

The numerical investigations on bubble dynamics performed in this research with using the models in view enable obtaining a great deal of useful information and reveal some new features of which many are unaware.

Key words: intensification, energy saving, mathematical models, heat and mass transfer, phase change, bubble dynamics, steam-water systems, boiling, cavitation, flashing flows.

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

- газова стала;

- питома теплоємність;

- енергія;

- частота коливань;

- масова витрата потоку;

- прискорення;

- тепловміщення;

- номер зони в каналі;

- густина потоку речовини;

- теплота конденсації;

- молекулярна маса;

- маса;

- концентрація бульбашок;

- тиск;

- протитиск;

- густина потоку теплоти;

- радіус;

- радіальна координата;

- температура;

- швидкість;

- об'єм;

- потужність;

- радіальна швидкість;

- декартові координати;

- коефіцієнт конденсації;

- об'ємний паровміст;

-товщина теплового граничного шару;

- густина енергії;

- коефіцієнт теплопровідності;

- коефіцієнт динамічної в'язкості;

хімічний потенціал;

- густина;

- коефіцієнт міжфазного натягу;

- час.

Размещено на Allbest.ru

...