Нестійкість парової бульбашки і неоднорідних потоків у процесах дискретно-імпульсного введення енергії
Визначення амплітудних і частотних характеристик парової бульбашки при осцилюючій нестійкості міжфазної поверхні. Дослідження гідродинамічної нестійкості течії при стратифікації густини у поперечному перерізі каналу. Нестійкість нен'ютонівської рідини.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 29.08.2014 |
| Размер файла | 144,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
6
5
Размещено на http://www.allbest.ru/
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ
УДК 532.517.3; 536.79
НЕСТІЙКІСТЬ ПАРОВОЇ БУЛЬБАШКИ ТА НЕОДНОРІДНИХ ПОТОКІВ В ПРОЦЕСАХ ДІСКРЕТНО-ІМПУЛЬСНОГО ВВЕДЕННЯ ЕНЕРГІЇ
05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика
Автореферат дисертації на здобуття наукового
ступеня кандидата технічних наук
Сорокіна Тетяна Вікторівна
Київ 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України, м. Київ.
Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник, Авраменко Андрій Олександрович Інституту технічної теплофізики НАН України, головний науковий співробітник.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Василенко Сергій Михайлович Національний університет харчових технологій МОН України, завідувач кафедрою теплотехніки.
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Кобзар Сергій Григорович Інституту технічної теплофізики НАН України, старший науковий співробітник.
Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, теплоенергетичний факультет, м. Київ.
Захист відбудеться “___” березня 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 при Інституті технічної теплофізики Національної академії наук за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.
Автореферат розісланий “___” лютого 2006 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук О.І. Чайка
Загальна характеристика роботи
Актуальність роботи
У харчовій, хімічній, переробній, фармацевтичній галузях промисловості часто зустрічаються технології, у яких реалізуються процеси змішування, гомогенізації, диспергування гетерогенних систем. Якість кінцевого продукту, який виробляється, залежить від інтенсивності тепломасообміну в даних системах. Одиним з ефективних способів інтенсифікації тепломасообмінних процесів є використання методу дискретно-імпульсного введення енергії (ДІВЕ), що розроблений в Інституті технічної теплофізики НАН України. Цей принцип припускає, що інтенсифікація відбувається за рахунок утворення чи зникнення мікроджерел енергії: парової бульбашки, каверни, кумулятивного мікроструменя, які є робочими елементами ДІВЕ. Утворення чи схлопування парової бульбашки сприяє виникненню навколо неї потужних динамічних ефектів, що призводить до інтенсифікації тепломасообміну в системі.
Зазначені процеси носять істотно нестаціонарний характер і по суті є нестійкими процесами. Крім того, невід'ємною особливістю ДІВЕ є турбулізація потоку. Тому для коректного проектування апаратів, що засновані на принципі ДІВЕ, необхідно вивчити нестійкість у процесах ДІВЕ.
Динаміка парової бульбашки, в основному, розглядалась як безперервний процес, і з позиції теорії нестійкості ці питання практично не вивчені. Звідси виникає необхідність вивчення механізму і природи різних типів нестійкості в процесах ДІВЕ. Вивчивши закономірності, що виникають при нестійкості парової бульбашки або при гідродинамічній нестійкості потоку, та проаналізувавши фактори, що впливають на поведінку елементів ДІВЕ, виникає можливість підвищення якості управління тепломасообмінними процесами в апаратах ДІВЕ.
Зв'язок з постановами, програмами, планами, темами:
Тематика дисертаційної роботи тісно пов'язана з дослідженнями, що проведені відповідно до наукового напрямку: “Нестійкість та гідродинаміка одно- та двохфазних течій процесів ДІВЕ” (номер державної реєстрації №0105U006230), “Дослідження теплообмінних та гідродинамічних процесів у реологічних гетерогенних середовищах при їх обробці в роторно-пульсаційних та грануляційних апаратах” (№0103U005531) і молодіжним грантом НАН України для молодих вчених “Дослідження нанопроцесів динаміки робочих елементів при дискретно-імпульсній трансформації енергії”.
Мета дослідження полягає у вивченні нестійкості парової бульбашки і нестійкості неоднорідного потоку, в тому числі й в апаратах ДІВЕ при впливі різних теплофізичних факторів з метою інтенсифікації тепломасообміну у процесах ДІВЕ.
Завдання дослідження, виконання яких зумовило досягнення поставленої мети:
· Дослідження монотонної та осцилюючої нестійкості парової бульбашки.
· Визначення амплітудних і частотних характеристик парової бульбашки при осцилюючій нестійкості міжфазної поверхні.
· Вивчення якісного впливу наявності поверхнево-активних речовин у рідині на амплітуду і частоту осциляцій парової бульбашки.
· Аналіз впливу на гідродинамічну нестійкість наявності парової фази в потоці рідини.
· Дослідження гідродинамічної нестійкості течії при стратифікації густини у поперечному перерізі каналу.
· Дослідження нестійкості нен'ютонівської рідини.
· Аналіз гідродинамічної нестійкості потоку при впливі поперечного постійного магнітного поля.
· Дослідження нестійкості в апаратах ДІВЕ: роторно-пульсаційному апараті (РПА), пневмо-пульсаційному апараті (ППА) та в установці адіабатичного закипання.
Наукова новизна одержаних результатів. У роботі вперше отримані такі наукові результати: бульбашка паровий течія рідина
1. Визначені значення критеріїв нестійкості парової бульбашки.
2. На основі багатофакторних моделей досліджені монотонна та осцилююча нестійкість парової бульбашки, як робочого елементу ДІВЕ. У результаті проведеного аналізу виявлений характер впливу на нестійкість парової бульбашки різних фізичних факторів: сил поверхневого натягу, в'язкості, стисливості рідини та магнітного поля.
3. Вирішено задачу про час cхлопування парової бульбашки з урахуванням сил поверхневого натягу та в'язкості.
4. Отримані критерії нестійкості течії закипаючої рідини при комбінованому впливові різних збурюючих факторів: неоднорідності густини та в'язкості, дії відцентрових сил, магнітного поля.
5. Досліджена нестійкість потоку рідини різних реологічних законів та вивчена гідродинамічна нестійкість в апаратах ДІВЕ: роторно-пульсаційному апараті (РПА) з урахуванням відцентрових сил, пневмо-пульсаційному апараті (ППА), проточному тракті установки адіабатичного закипання.
Достовірність результатів забезпечена коректним використанням сучасних методів фізичного і математичного моделювання, адекватністю фізичних припущень у постановці задачі та узгодженням отриманих розрахункових даних з розрахунковими й експериментальними даними інших робіт.
Практичне значення одержаних результатів. Представлені в роботі математичні моделі парової бульбашки призначені для вивчення фізичних механізмів виникнення нестійкості парової бульбашки, як робочого елементу ДІВЕ. Характер нестійкості бульбашки (утворення, схлопування, осциляції міжфазної поверхні) є основним чинником, що визначає динамічні й енергетичні показники конкретних диспергуючих і масообмінних апаратів ДІВЕ.
Дослідження гідродинамічної нестійкості течії в РПА різної реології дозволяє надати рекомендації стосовно моделей розрахунків, застосування яких буде коректним при моделюванні гідродинамічних і теплообмінних процесів у РПА циліндричного типу. З отриманих результатів дослідження нестійкості в ППА можна надати рекомендації по модифікації геометрії реактора ППА з метою інтенсифікації процесів екстракції, що відбуваються у робочій області. Результати аналізу нестійкості потоку, що закипає, дають можливість правильно підібрати режими течії в камерах охолодження мікроповерхонь різного роду комп'ютерних чипів, елементів радіоелектронної апаратури та у проточному тракті установки адіабатичного закипання.
Впровадження результатів роботи. На підставі створеної методики дослідження гідродинамічної нестійкості проведені: опрацювання карти режимів течії в теплообмінниках, що дозволило удосконалити методику розрахунків процесів теплообміну; визначення критеріїв нестійкості течії при утворенні парової фази в слабозакипаючих потоках. За рахунок цього підвищено точність прогнозування інтенсивності процесів теплообміну і технологічних режимів у плавильних печах установок виробництва базальтових супертонких волокон при використанні “киплячих” розплавів гірських порід, які насичені водою і гідроксильними іонами.
Особистий внесок здобувача. Модифікована математична модель, за допомогою якої проведені дослідження нестійкості і динаміки одиничної парової бульбашки. Розроблено програми для розрахунку гідродинамічної нестійкості потоку методом Гальоркіна і методом колокацій у різних програмних пакетах. Виведені модифіковані рівняння збурюючого руху, на основі яких, вирішуючи задачу на власні значення за допомогою методу Гальоркіна або колокацій, розрахована нестійкість течії при впливі різноманітних збурюючих факторів.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на III і IV Міжнародній конференції “Проблеми промислової теплотехніки” (м. Київ, 2003 р., 2005 р.), на I -й науково-практичній конференції молодих вчених “Теплоенергетика: моделювання, оптимізація, енергозбереження” (м. Київ, 2004 р.), на 3-й науковій школі-конференції „Актуальні питання теплофізики і фізичної гідрогазодинаміки” (м. Алушта, 2005 р.), Second world congress “Aviation in the XXIst century”, “Saffety in aviation” (м. Київ, 2005 р.).
Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи відображено в 7 публікаціях у фахових журналах та 2 тезах міжнародної та всеукраїнської конференцій.
Структура роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох глав, загальних висновків, переліку використаної літератури. Повний обсяг дисертації складає 157 сторінок, 33 рисунків, 5 таблиць і 112 бібліографічних посилань.
Основний зміст роботи
У вступі стисло обґрунтовано стан наукової проблеми, актуальність і важливість дисертаційної роботи; сформульовано мету роботи та конкретні задачі досліджень для її досягнення; наведено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів, відомості про апробацію досліджень та публікації.
У першому розділі виконано огляд сучасного стану щодо проблеми нестійкості робочого елементу (парової бульбашки) і потоку рідини у процесах ДІВЕ. Наведено стислий аналіз робочих елементів, процесів ДІВЕ та властивих їм ефектів нестійкості, які виникають у кожному окремому випадку. Опрацьовано ряд теоретичних і експериментальних робіт стосовно дослідження гідродинамічної нестійкості потоку в різних умовах.
У результаті аналізу літературних джерел зроблено висновки з літературного огляду і сформульовано мету роботи та задачі досліджень.
Другий розділ роботи присвячений дослідженню нестійкості поведінки одиничної парової бульбашки (робочого елементу ДІВЕ), як динамічної системи, за умов впливу різноманітних факторів та вивченню різних типів нестійкості. Вирішена задача про час схлопування парової бульбашки.
Нестійкість парової бульбашки вивчалась на основі теплофізичних моделей, які враховували в кожному окремому випадку різну комбінацію наступних чинників: сили інерції, сили в'язкості, сили поверхневого натягу, сили тиску, ефектів теплообміну, стисливості рідини, а також фазових переходів.
Математична модель, яка враховує всі вищеназвані чинники, окрім стисливості рідини, містить рівняння Релея, рівняння Клапейрона-Клаузіуса, рівняння зміни тиску у часі і рівняння зміни густини пари
(1)
Початкові умови наступні:
. (2)
При дослідженні нестійкості парової бульбашки система рівнянь (1) у безрозмірних змінних після зведення до системи диференціальних рівнянь першого порядку в автономній формі має вид:
(3)
На підставі отриманих безрозмірних рівнянь досліджена монотонна та осцилююча нестійкість парової бульбашки при впливі різноманітних факторів. Параметри є управляючими параметрами. Від їх значень залежить стійкість системи диференціальних рівнянь (1).
Проведено дослідження монотонної () і осцилюючої нестійкості (). Отримані результати мають складний трансцендентний характер відносно . Тому критерії нестійкості були проаналізовані чисельно (рис. 1). Ця діаграма дозволяє за набором значень управляючих параметрів визначити критичний (мінімальний) радіус бульбашки. Результати проведеного чисельного дослідження монотонної нестійкості можна представити в розмірному вигляді:
. (4)
Аналіз отриманих результатів дозволяє визначити характер впливу зазначених у (4) факторів на значення .
При дослідженні осцилюючої нестійкості парової бульбашки побудовано поверхню в координатах , яка визначає значення радіусу бульбашки при якому виникають осциляції міжфазної поверхні (осцилюючий радіус) за умов різного ступеня впливу в'язкості. На відміну від радіуса , при якому починаються осциляції парової бульбашки, не залежить від в'язкості.
Проведені дослідження нестійкості парової бульбашки при врахуванні стисливості рідини. При цьому перше рівняння системи (1) перетворюється до вигляду:
(5)
Ця модель враховує стисливість рідини, мірою чого є , фазовий перехід, теплообмін, сили поверхневого натягу, сили тиску і сили інерції.
У результаті дослідження нестійкості визначені і побудовані поверхні, що відображають радіус парової бульбашки в момент утворення та в момент початку виникнення осциляцій її міжфазної поверхні (рідина-пар).
З проведених досліджень можна зробити висновок, що стисливість впливає на нестійкість парової бульбашки, як в момент утворення, так і в момент початку осциляцій міжфазної поверхні. Із зростанням стисливості рідини радіус, при якому відбувається утворення парової бульбашки і виникають осциляції, зменшується. Це пояснюється зменшенням модуля пружності рідкої фази.
У випадку спрощеного врахування теплообміну запропонована математична модель, що складається з рівнянь (1) і початкових умов (2), трансформується до виду
(6)
з початковими умовами (2) в яких не враховується температура і густина пари.
Дослідження нестійкості парової бульбашки на основі представленої моделі дозволяє одержати критерії монотонної та осцилюючої нестійкості в аналітичному виді.
Монотонна нестійкість виникає при виконанні умови:
. (7)
Формула показує, що виникаюча парова бульбашка не може мати розмір менше, ніж передбачає формула (7). Якщо врахувати, що 1 >> 2, то з (7) випливає відома формула Томсона для мінімального радіуса бульбашки. Осцилююча нестійкість виникає за умови:
. (8)
Окремим випадком системи (6) є варіант, коли перепад тисків Др = const. З аналізу нестійкості рівнянь для цього випадку знаходиться точка стаціонарного стану:
. (9)
Рівняння (9) являє собою відомий вираз Лапласа для критичного радіусу бульбашки.
Схожість (7) і (9), отриманих з аналізу нестійкості на підставі скорочених моделей, з формулою Томсона і Лапласа свідчить про адекватність запропонованої моделі і методики дослідження.
Для випадку зникаючої в'язкості (Lp>0), коли підкореневий вираз у формулах для власних значень менше нуля, виникає біфуркація Хопфа. При цьому, як випливає з формули (8) . Це означає, що осциляції парової бульбашки починаються з моменту її виникнення. При цих умовах траєкторія рішень у фазовому просторі () відходить від граничного циклу по спіралі, що зображена на рис. 2 разом зі своїми проекціями на координатні площини. За умови Lp>0 форма траєкторій рішень у фазовому просторі модифікується в траєкторію, що сходиться по спіралі. Це означає, що виникають затухаючі коливання і ступінь затухання залежить від числа Lp.
Нестійкість парової бульбашки також досліджено під дією магнітного поля. Встановлено, що на монотонну нестійкість магнітне поле не діє, тобто не впливає на процес зародкоутворення парової бульбашки.
Проведено дослідження амплітудних і частотних характеристик бульбашки при впливі домішок поверхнево-активних речовин, для випадку нен'ютонівської рідини та під дією магнітного поля.
Вирішено задачу про час схлопування парової бульбашки. Цей процес описується рівнянням Релея
, (10)
де вважається постійною величиною.
При розв'язанні задачі без впливу в'язкості визначено співвідношення для часу руйнування (схлопування) бульбашки
(11)
Вирішуючи задачу з урахуванням в'язкості отримано наступний вираз
, (12)
де визначається відповідно до
(13)
Квадратура (12) не може бути розв'язана ні в елементарних, ні в спеціальних функціях. З результатів чисельного дослідження виразу (12) можна зробити висновок про те, що при руйнуванні бульбашки сили в'язкості і поверхневого натягу слабо впливають на час схлопування.
У третьому розділі проведено дослідження гідродинамічної нестійкості течії в умовах впливу багатофакторних збурень, таких як: нерівномірність густини та в'язкості у поперечному перерізі каналу, пароутворення в потоці, дія магнітного поля.
Для вибору методу теоретичного дослідження нестійкості був проведений верифікаційний розрахунок критичного числа Рейнольдса для течії Куетта. Порівняння показало, що точність методу лінійних збурень щонайкраще погоджується з експериментальними даними Рейхардта (похибка 8%) для течії Куетта. Тому для вивчення нестійкості течії був вибраний метод малих збурень. Програму розрахунку було реалізовано при використанні методу Гальоркіна і методу колокацій. Тестування програм проводилося на основі розрахунку нестійкості плоскопаралельної течії Хагена - Пуазейля з параболічним профілем незбуреної швидкості при постійних властивостях рідини. Одночасно проведено порівняння отриманих результатів з даними інших авторів. Це дозволило зробити висновок, що розрахункова нейтральна крива при використанні як методу Гальоркіна, так і методу колокацій з задовільною точністю (менше 1%) погоджується з даними роботи Оржега.
У роботі для розрахунку умов турбулізації при закипанні течії використовувалася гомогенна модель двохфазних потоків.
З рівнянь Нав'є - Стокса
(14)
з урахуванням збурюючого руху, вибраного у вигляді хвилі Толлміна-Шліхтінга,
, (15)
шляхом лінеаризації та безрозмірювання, одержано аналог рівняння Орра - Зоммерфельда
(16)
Це рівняння враховує нерівномірність густини і в'язкості у поперечному перерізі каналу.
Результати розрахунків показують, що зі збільшенням паровмісту критичне число Рейнольдса монотонно зменшується (рис. 3). Видно, що закипання приводить до турбулізації потоку і зниження критичного числа Рейнольдса. Центри пароутворення є джерелом виникнення додаткових пульсацій і тим самим турбулізують потік.
На наступному етапі було проведено дослідження стійкості потоку з перемінною густиною. Нерівномірність густини може бути обумовлена неізотермічністю потоку. Для визначення зміни густини у поперечному перерізі каналу використовувався закон
. (17)
Результати дослідження нестійкості течії зі змінною густиною у поперечному перерізі каналу в умовах існування парової фази при різних значеннях істинного об'ємного паровмісту приведені на рис. 4. З нього видно, що розшарування густини (зміна m) активніше впливає при малих значеннях паровмісту. При збільшенні паровмісту основним джерелом турбулізації потоку є пароутворення. Тому в цьому випадку вплив зміни густини на нестійкість потоку зменшується. Приведені результати свідчать про нелінійність впливу факторів, які збурюють, що не дозволяє представляти результати розрахунків критеріїв нестійкості у виді функціонального набору поправок, котрі відображають вплив того чи іншого збурюючого фактора. Це призводить до того, що новий набір значень збурюючих факторів щораз вимагає нового варіанту розрахунку.
Проведено дослідження гідродинамічної нестійкості течії в присутності магнітного поля. Отримано, що магнітне поле сприяє стабілізації течії і затягуванню початку переходу в турбулентний режим до більш високих чисел Рейнольдса, тому що дія магнітного поля приводить до збільшення заповнення профілю швидкості. Це значить, що сімейство профілів швидкості за своєю геометрією віддаляється від тих профілів, що мають точку перегину. Отже, відповідно до другої теореми Релея, збільшення магнітного поля або числа Хартмана приводить до збільшення стійкості профілю, а значить, і критичного числа Рейнольдса. Також досліджена стійкість потоку при комбінованому впливі таких збурюючих факторів, як паровміст і нерівномірність густини в присутності дії магнітного поля. Встановлено, що ні принцип суперпозиції, ні принцип мультиплікативності не можна застосовувати для розрахунків критерію нестійкості при спільному впливі вказаних факторів.
У четвертому розділі проведені дослідження нестійкості течії в реальних апаратах ДІВЕ: у роторно-пульсаційному апараті, пневмо-пульсаційному апараті та в установці адіабатичного закипання. Вивчення нестійкості проводилось на підставі рівняння Орра-Зоммерфельда шляхом розв'язання задачі на власні значення при використанні встановлених профілів швидкостей.
З отриманих результатів розрахунків при дослідженні нестійкості в прорізях РПА можна зробити висновок: турбулізація відбувається при низьких числах Рейнольдса (Recr ? 100... 1000) в більшості досліджених перерізів, що обумовлено формою профілю. Цей висновок погоджується з теоремою Релея про стійкість потоку.
Проведено розрахунок гідродинамічної нестійкості потоку нен'ютонівської рідини. У цьому випадку аналог рівняння Орра-Зоммерфельда для нен'ютонівської рідини має вигляд:
(18)
За допомогою рівняння (18) була досліджена гідродинамічна нестійкість нен'ютонівської рідини (рис. 5). Отримана нейтральна крива, що відокремлює область із загасаючими збуреннями (стійка область) від області з наростаючими збуреннями (нестійка область) у потоці для нен'ютонівської рідини при n=2. По вісі абсцис (рис. 5) відкладено параметр , що характеризує ступінь нен'ютонівського поведінки рідини.
При дослідженні гідродинамічної нестійкості в різних перерізах реактора пневмо-пульсаційного апарату виникають незатухаючі збурювання при високих числах Рейнольдса. Це обумовлено стійкими профілями швидкостей, що мають високий ступінь заповнення.
Отримані результати дослідження нестійкості в горизонтальних перерізах реактора (ППА) можна трактувати наступним чином. По мірі надходження рідини в трубу пульсатора відбувається прискорення потоку, що сприяє затуханню турбулентних пульсацій. Різке зростання критерію нестійкості (Recr ? 50000) пояснюється сильним локальним зростанням прискорення рідини.
Зазначений підхід, заснований на дослідженні гідродинамічної нестійкості, дозволяє підібрати найбільш оптимальну геометрію реактора пневмо-пульсацій-ного пристрою шляхом зміни конструкції робочої області. Для інтенсифікації перемішування необхідно збільшити область з меншими значеннями критерію нестійкості, шляхом модифікації конструкції технологічної ємності.
З результатів проведених досліджень для установки адіабатичного закипання отримано, що потік втрачає стійкість при досить високих значеннях чисел Рейнольдса (Recr ? 70000). Це пояснюється високим ступенем заповнювання профілів швидкості, обумовлених тим, що досліджувані процеси протікають на початкових гідродинамічних ділянках каналу. Унаслідок цього для ефективності перемішування в подібного роду пристроях необхідно турбулізувати потік, що можна досягти за рахунок використання ефекту адіабатичного закипання потоку. Підхід, що використано в роботі, дозволяє розрахувати критерії нестійкості двохфазного потоку, для чого необхідно знати значення дійсного об'ємного паровмісту в досліджуваному перетині каналу г(х).
Результати:
1. Проведено дослідження монотонної та осцилюючої нестійкості парової бульбашки при впливі різних факторів.
2. На основі розв'язку збуреної системи рівнянь, яка описує динаміку одиничної парової бульбашки, отримані амплітудні і частотні характеристики пульсацій міжфазної поверхні парової бульбашки.
3. Проаналізовано динамічну нестійкість і динаміку бульбашки шляхом визначення області стійких і нестійких рішень.
4. Проведено аналіз впливу різних факторів на нестійкість і динаміку парової бульбашки, таких як: стисливість, добавки поверхнево-активних речовин, реологія рідини і вплив магнітного поля.
5. Вирішено задачу про час схлопування парової бульбашки з урахуванням сил поверхневого натягу і в'язкості.
6. Розроблено програми для розрахунку гідродинамічної нестійкості, що апробовані при дослідженні течії Хагена-Пуазейля і Куєта.
7. Вирішено задачу гідродинамічної нестійкості для потоку, що закипає, при комбінованому впливі збурюючих факторів, таких як: неоднорідність густини і в'язкості, обертання, реології рідини, магнітного поля.
8. Проаналізовано гідродинамічну нестійкість в апаратах ДІВЕ, таких як роторно-пульсаційний апарат, пневмо-пульсаційний апарат і в каналах установок адіабатичного закипання.
Висновки
1. На основі проведених досліджень стійкості робочого елемента ДІВЕ (парової бульбашки) встановлено, що
- на монотонну нестійкість зміна режимних параметрів впливає наступним чином: збільшення температури і теплопровідності рідини призводить до зменшення критичного радіусу бульбашки, зростання тиску та поверхневого натягу призводить до збільшення радіусу зародкоутворення;
- зменшення в'язкості, перегріву рідини та збільшення поверхневого натягу приводить до росту амплітуди пульсацій парової бульбашки, тобто сприяє її нестійкості; наявність поверхнево-активних речовин в рідині приводить до зменшення амплітуди пульсацій бульбашки;
2. Дослідження нестійкості течії дозволяє зробити наступні висновки:
- при збільшенні паровмісту критичне число Рейнольдса зменшується - закипання сприяє турбулізації потоку; значення критичних чисел Рейнольдса для закипаючого потоку знаходяться в діапазоні (Recr ? 7500... 100).
- при впливі різних збуджуючих факторів (нерівномірності густини і в'язкості, обертання, пароутворення в потоці, різних реологічних законів середовища, магнітного поля) принцип мультиплікативности і суперпозиції не виконується при визначенні границі нестійкості.
3. Втрата стійкості течії у прорізях роторно-пульсаційного апарату відбувається при низьких числах Рейнольдса, які знаходяться в межах від однієї до декількох сотень, що пояснюється нестійкою формою профілю швидкості, яка викликана активним перемішуванням рідини (за рахунок обертання ротора і вихороутворення).
4. Дослідження гідродинамічної нестійкості в реакторі пневмо-пульсаційного апарату дозволило визначити області з високими і низькими значеннями чисел Рейнольдса, завдяки чому можна надати рекомендації по оптимізації робочої області конструкції з метою інтенсифікації масообмінних процесів.
Позначення: - швидкість звуку в рідині; , - швидкість розповсюдження хвиль збудження, - інкремент наростання збудження; - питома теплота фазового переходу рідина-пар; h -напівширина каналу; - міжфазний масоперенос; m - параметр, m[-1;1]; n - показник ступеня в законі напружень рідини; - тиск та перепад тиску; R - радіус парової бульбашки; - температура; - перегрів рідини відносно температури насичення; t - час; - швидкість основної течії; - середньовитратна швидкість; - вектор швидкості; - компоненти швидкості, які відповідають осям декартових координат; - хвильове число; , - круговая частота колебания, - коэффициент нарастания колебаний - власні значення матриці Якобі; - амплітуда збудженого руху; -об'ємний паровміст; - коефіцієнти моделі тертя нен'ютонівської рідини, I - загальний символ, яким позначено три інварианти тензора , , , ; - коефіцієнт теплопровідності рідини; - динамічний коефіцієнт в'язкість; - кінематичний коефіцієнт в'язкості; - густина; - поверхневий натяг; - функція току; безрозмірні параметри: , , , , , , , , - час, - тиск, - температура, , , - швидкості, - параметр, який характеризує ступінь поведінки нен'ютонівської рідини; - безрозмірні комплекси.
Числа подібності: , - числа Лапласа; , - числа Рейнольдса, , - число Вебера.
Індекси: верхні: - значення параметру на нескінченності; “ ?” - означає безрозмірність величини; “ ? ” - означає похідну по координаті ; нижні: d - означає параметри руйнування (захлопування); osc - осцилюючий; 0 - початкове значення; 1, 2 - відноситься до рідкої та парової фаз відповідно.
Спеціальні математичні функції: - неповна бета-функція; - гама-функція; - дійсна і уявна частини комплексної величини.
Основні наукові положення дисертації викладено в роботах
1. Авраменко А.А., Басок Б.И., Сорокина Т.В. Нелинейная неустойчивость паровой полости // Промышленная теплотехника. 2003. 25. № 2. С. 5-7. (особистий внесок дослідження нестійкості парової бульбашки)
2. Авраменко А.А., Басок Б.И., Сорокина Т.В. Неустойчивость Орра-Зоммерфельда двухфазного потока // Доповіді НАН У. 2004. № 6. С. 92-95. (особистий внесок участь у виведенні рівняння збуреного руху, розрахунок критеріїв нестійкості).
3. Сорокина Т.В. Гидродинамическая неустойчивость в процессах ДИВЭ // Промышленная теплотехника. 2004. 26. № 5. С. 14-20.
4. Сорокина Т.В. Гидродинамическая неустойчивость в роторно-пульсационных аппаратах // Промышленная теплотехника. 2004. 26. № 6. С. 74-77.
5. Сорокина Т.В. Динамика паровой каверны // Энергетика: экономика, технологии, экология. 2004 № 1. С. 58-60.
6. Сорокина Т.В. Исследование неустойчивости двухфазного потока с переменными свойствами полости // Промышленная теплотехника. 2003. 25. № 4. С. 353-355.
7. Авраменко А.А., Сорокина Т.В. Неустойчивость парового пузыря // Промышленная теплотехника. 2005. 27. № 6. С. 12-15.
Окремі аспекти дисертаційної роботи викладено в 2 тезах.
Анотація
Сорокіна Т.В. Нестійкість парової бульбашки і неоднорідних потоків у процесах дискретно-імпульсного введення енергії. - Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплотехніка,
Ключові слова: нестійкість, парова бульбашка, критерій нестійкості, течія.
Аннотация
Сорокина Т.В. Неустойчивость парового пузырька и неоднородных потоков в процессах дискретно-импульсного ввода энергии. - Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплотехника, Институт технической теплофизики Национальной академии наук, г. Киев, 2006.
Исследована гидродинамическая неустойчивость течения при комбинированном воздействии разнообразных возмущающих факторов, таких как: паросодержание, неравномерность плотности и вязкости, центробежная сила, магнитное поле. Проведено исследование неустойчивости потока неньютоновской жидкости. Рассмотрены вопросы потери устойчивости потока в практическом аспекте - исследована гидродинамическая неустойчивость течения в аппаратах ДИВЭ: роторно-пульсацийном аппарате, пневмо-пульсационном аппарате и в установке адиабатического вскипания.
Ключевые слова: неустойчивость, паровой пузырек, критерий неустойчивости, поток.
Summary
Sorokina T.V. Instability of steam bubble and heterogeneous of flows in processes of discrete-pulse power input. - Manuscript.
Thesis on the competition for an academic Degree “Candidate of Technical Sciences”. Specialty 05.14.06 - “Engineering Thermophysics and Industrial Heat-and-Power Engineering”. Institute of Engineering Thermophysics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2006.
Instability of processes and objects during realization of a principle of discrete-pulse energy input (DPEI) was studied in the dissertation. An instability analysis of the working element of DPEI (steam bubble) and stream of a liquid in processes and apparatuses DPEI was conducted. As a result of the research of the steam bubble instability, the criteria of monotonous and oscillating instability were obtained, that allowed to analyze the nature of influence of different factors on the instability of the examined element of DPEI. Behavior of the amplitude and frequency characteristics of a steam bubble taking into account effects of viscosity, surface-tension, overheat of the liquid, different rheological laws of the medium and magnetic field was studied. Time of the bubble collapse was determined with allowance for the surface-tension and viscosity effects.
Hydrodynamic instability of flow at the combined influence of different disturbing factors was explored, including effects of steam content, non-uniformity of the density and viscosity distributions, centrifugal force and magnetic field. Investigation of the instability in non-Newtonian liquids was conducted. Practical aspects of the stability were considered, namely, hydrodynamic instability in the DPEI apparatuses such as rotor-pulse apparatus, pneumo-pulse apparatus and adiabatic boiling apparatus.
Key words: instability, steam bubble, criterion of instability, flow.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Механізм гідродинамічної нестійкості вихрового руху в системах з об’ємним стоком речовини та його організація в різних фізичних системах при фазових перетвореннях. Розв’язки рівнянь та гідродинамічні вихори у ядерній матерії і резонансно-збудженому газі.
автореферат [58,8 K], добавлен 16.06.2009Густина речовини і одиниці вимірювання. Визначення густини твердого тіла та рідини за допомогою закону Архімеда та, знаючи густину води. Метод гідростатичного зважування. Чи потрібно вносити поправку на виштовхувальну силу при зважуванні тіла в повітрі.
лабораторная работа [400,1 K], добавлен 20.09.2008Опис пристроїв, призначених для виконання корисної механічної роботи за рахунок теплової енергії. Дослідження коефіцієнту корисної дії деяких теплових машин. Вивчення історії винаходу парової машини, двигуна внутрішнього згорання, саморухомого автомобілю.
презентация [4,8 M], добавлен 14.02.2013Визначення параметрів пари і води турбоустановки. Побудова процесу розширення пари. Дослідження основних енергетичних показників енергоблоку. Вибір обладнання паросилової електростанції. Розрахунок потужності турбіни, енергетичного балансу турбоустановки.
курсовая работа [202,9 K], добавлен 02.04.2015Загальна інформація про вуглецеві нанотрубки, їх основні властивості та класифікація. Розрахунок енергетичних характеристик поверхні металу. Модель нестабільного "желе". Визначення роботи виходу електронів за допомогою методу функціоналу густини.
курсовая работа [693,8 K], добавлен 14.12.2012Визначення вхідної напруги та коефіцієнтів заповнення імпульсів. Визначення індуктивності дроселя і ємності фільтрувального конденсатора. Визначення струмів реактивних елементів. Розрахунок підсилювача неузгодженості, широтно-імпульсного модулятора.
курсовая работа [13,9 M], добавлен 10.01.2015Визначення гідростатичного тиску у різних точках поверхні твердого тіла, що занурене у рідину, яка знаходиться у стані спокою. Побудова епюр тиску рідини на плоску і криволінійну поверхні. Основні рівняння гідродинаміки для розрахунку трубопроводів.
курсовая работа [712,8 K], добавлен 21.01.2012Визначення коефіцієнтів у формі А методом контурних струмів. Визначення сталих чотириполюсника за опорами холостого ходу та короткого замикання. Визначення комплексного коефіцієнта передачі напруги, основних частотних характеристик чотириполюсника.
курсовая работа [284,0 K], добавлен 24.11.2015Рух молекул у рідинах. Густина і питома вага рідини. Поняття про ідеальну рідину. Поверхневий натяг, змочуваність і капілярні явища. Перехід з рідкого у газоподібний стан і навпаки. Зміна об'єму та густини рідини. Випаровування, конденсація, кавітація.
реферат [69,5 K], добавлен 22.12.2013Обчислення швидкості течії рідини в трубах, втрати опору на окремих ділянках та енергоефективності насосного агрегату. Розрахунок повітропроводів, підбір вентиляторів та електродвигуна для промислової вентиляційної системи. Шляхи підвищення ККД приладів.
курсовая работа [791,8 K], добавлен 18.01.2010Аналіз особливостей різних розділів фізики на природу газу й рідини. Основні розділи гідроаеромеханіки. Закони механіки суцільного середовища. Закон збереження імпульсу, збереження енергії. Гідростатика - рівновага рідин і газів. Гравітаційне моделювання.
курсовая работа [56,9 K], добавлен 22.11.2010Застосування віскозиметрів для дослідження реологічних характеристик рідин, характеристика їх видів, переваг та недоліків. Аналіз точності і відтворюваності вимірів. Метод конічного еластоміра. Дослідження гірських порід і їх реологічних характеристик.
контрольная работа [244,0 K], добавлен 22.01.2010Гідродинаміка - розділ механіки рідини, в якому вивчаються закони її руху. Фізична суть рівняння Бернуллі. Побудова п’єзометричної та напірної ліній. Вимірювання швидкостей та витрат рідини. Режими руху рідини. Дослідження гідравлічного опору труб.
учебное пособие [885,0 K], добавлен 11.11.2010Поверхневий натяг рідини та його коефіцієнт. Дослідження впливу на поверхневий натяг води розчинення в ній деяких речовин. В чому полягає явище змочування та незмочування, капілярні явища. Як залежить коефіцієнт поверхневого натягу від домішок.
лабораторная работа [261,2 K], добавлен 20.09.2008Вивчення методів вирощування кремнієвих і вуглецевих нанодротів за допомогою шаблонів, інжекції під тиском, нанесення електрохімічного та з парової фази. Розгляд кінетики формування нанодроту в процесі вакуумної конденсації металів на поверхню кристала.
курсовая работа [7,1 M], добавлен 12.04.2010Етапи дослідження радіоактивних явищ. Електромагнітне випромінювання та довжина хвилі. Закон збереження спіну. Перехід із збудженого стану ядра в основний. Визначення енергії гамма-квантів. Порівняння енергії електронів з енергією гамма-променів.
доклад [203,8 K], добавлен 21.04.2011Огляд модельних теорій в’язкості рідин. Дослідження реологічних властивостей поліметисилоксану-100. Капілярний метод вимірювання в’язкості і пікнометричний метод вимірювання густини. Температурна залежність густини і кінематичної в’язкості ПМС-100.
курсовая работа [566,2 K], добавлен 08.05.2011Поняття конвекції як переносу теплоти при переміщенні і перемішуванні всієї маси нерівномірно нагрітих рідини чи газу. Диференціальні рівняння конвекції. Основи теорії подібності. Особливості примусової конвекції. Теплообмін при поперечному обтіканні.
реферат [722,3 K], добавлен 12.08.2013Обґрунтування необхідності дослідження альтернативних джерел видобування енергії. Переваги і недоліки вітро- та біоенергетики. Методи використання енергії сонця, річок та світового океану. Потенціальні можливості використання електроенергії зі сміття.
презентация [1,9 M], добавлен 14.01.2011Визначення кінетичної та потенціальної енергії точки. Вирішення рівняння коливання математичного маятника. Визначення сили світла прожектора, відстані предмета і зображення від лінзи. Вираження енергії розсіяного фотона, а також швидкості протона.
контрольная работа [299,7 K], добавлен 22.04.2015
