Теплообмін і динаміка процесу утворення прикордонної кристалізованої фази у неньютоновскій рідини, що рухається

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Націонільна Академія наук України

Інститут проблем машинобудування

ім. А.М. Підгорного

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Теплообмін і динаміка процесу утворення прикордонної кристалізованої фази у неньютоновскій рідини, що рухається

Репалова Ольга Миколаївна

Харків - 2008

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України ( IПМаш НАН України).

Науковий керівник:

доктор фізико - математичних наук, професор

Бастєєв Андрій Володимирович,

Національний аерокосмічний університет

їм. М.Є. Жуковського «ХАІ», професор кафедри

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Ульєв Леонід Михайлович,

Національній технічний університет «ХПІ»,

провідний науковий співробітник кафедри;

кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник

Пєтухов Ілля Іванович,

Національний аерокосмічний університет

їм. М.Є. Жуковського «ХАІ», доцент кафедри

Захист відбудеться 12 березня 2009 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.02 в ІПМаш НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ІПМаш НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

Автореферат розісланий 29 січня 2009р.

Вчений секретар

Спеціалізованої ради Д 64.180.02

доктор технічних наук О.Е. Ковальський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Процеси теплообміну при течіях рідин у трубах є однією з актуальних тем досліджень протягом багатьох років. Це є наслідком широкого технологічного застосування подібних течій у апаратах і пристроях усілякого призначення. Одним з важливих напрямків досліджень у цій області є вивчення процесів теплообміну нелінійно-в'язких рідин, що відбуваються при течії нафти, полімерів, олій, глиняних і бетонних розчинів, харчових сумішей і т.п. Складність вивчення подібних течій полягає у нелінійному характері реологічного закону для подібних рідин, а також більш інтенсивних процесах теплообміну обумовлених, як підвищеним впливом внутрішнього тертя так і можливою наявністю фазових переходів у течії - кристалізація рідини у тверду фазу або навпаки плавлення твердої фази. Це особливо характерно для течій із сильним перепадом температур ядро потоку - стінка, як для стаціонарних так і нестаціонарних течій. Особливості таких течій найбільш сильно виявляються при литті і технологічній переробці полімерів, як рідин з яскраво вираженими неньютоновскими властивостями. З однієї сторони це зв'язано з тим, що сильний перепад температур з формуючим оснащенням часто потрібен для одержання заданих властивостей виробів після затвердіння. З іншої сторони різке подорожчання нафти, а відповідно і полімерної сировини, вимусило переходити на лиття в більш тонкі канали, що інтенсифікувало процеси теплообміну, що відбуваються в них, та привело до технологічних складностей. Тому більш ретельне вивчення таких течій, у тому числі з погляду оптимізації параметрів, корисно в плані зменшення витрат на виготовлення полімерних виробів.

З погляду фізичного і математичного моделювання описані течії відносяться до питань тепломасообміну у реологічно складних рідинах при наявності теплових особливостей. Зважаючи на те, що питання течії нагрітих неньютонівських рідин є одним з важливих наукових напрямків, тема дисертації представляється важливою та актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами планами і темами. Робота була виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України відповідно до бюджетних тем відділу нетрадиційної теплоенергетики «Математичне і фізичне моделювання процесів гідродинамічного кавітаційного впливу на нафтопродукти з метою зменшення їхньої в'язкості (№ держ. реєстрації 0106U008608)», «Розробка наукових основ термохімічного перетворення вуглеводнів» (№ держ. реєстрації 0101U003590), у яких здобувач був виконавцем окремих розділів.

Мета і задачі дослідження. Основною метою дисертаційної роботи є створення фізичної й удосконалювання математичної моделей процесу тепломасообміну при течії нелінійно-в'язких (неньютонівських) рідин при наявності фазового переходу та границі розділу кристалізованої і рухливій фаз у каналах технологічного оснащення для лиття полімерів. Для її досягнення в даній роботі сформульовані і вирішені наступні задачі:

- розробка нових підходів для опису течій неньютоновских рідин у технологічних каналах з урахуванням нелінійної залежності в'язкості від температури і дисипативного виділення тепла;

- на базі удосконаленої математичної моделі виявлення нових особливостей течії, зв'язаних з виникненням і розвитком фронту кристалізації в потоці, експериментальна верифікація математичної моделі;

- для області адекватності математичної моделі й експерименту формулювання науково обґрунтованих рекомендацій з організації процесу і розробка інженерних методів розрахунку придатних для практичних задач.

Об'єкт дослідження - процеси теплообміну і кристалізації в гідродинамічних течіях реологічно складних нелінійно-в'язких рідинах із псевдопластичними властивостями (полімери).

Предмет дослідження - нові теоретичні методи опису процесів у течіях псевдопластиків з кристалізацією та інтенсивним теплообміном, а також нові практичні способи оцінки оптимальних параметрів таких течій з погляду поліпшення таких параметрів як формуємість, інтенсивність та стаціонарність теплообміну.

Методи дослідження - Теоретико-розрахункові й експериментальні методи. Теоретико-розрахункові методи, що містять у собі аналітичні розрахунки з використанням апарата математичної фізики, методів дослідження на стійкість; чисельні розрахунки. Експериментальні методи містять у собі методи візуалізації течій і цифрової зйомки, виміри температур і тисків.

Наукова новизна отриманих результатів. У процесі роботи над дисертацією: теплообмін неньютоновский рідина

- вперше сформульовано поняття стійкості положення границі розподілу нерухомої і текучої фаз при течії лінійно і нелінійно-в'язких рідин, що дозволило використати новий підхід до рішення задач такого типу;

- вперше за допомогою відомого методу лінеаризації отримані рішення збурених рівнянь для нелінійної задачі поширення фронту кристалізації в рухливій рідині з дисипативним виділенням тепла;

- вперше отримані дані по стійкості положення границі розподілу фаз у нелінійно-в'язких середовищах, що були підтверджені експериментально.

Практичне значення отриманих результатів.

- Запропонований підхід дозволив розробити інженерну методику розра-хунку основних термодинамічних і технологічних параметрів розглянутих течій. Її застосування в НПФ «Технологія» при запуску виробу «оболонка СТ 01» знизило витрати на введення в експлуатацію на 30%; собівартість виробу «склянка фільтра» на 10% (акт впровадження від 14.05.2008р.);

- теоретично визначені й експериментально підтверджені області пара-метрів, що дозволяють реалізувати технологічний процес течії нелінійно-в'язких рідин із забезпеченням необхідних технологічних вимог, а також проектувати технологічне оснащення з підвищеними вимогами до геометрії та ваги виробу, що виготовляється (акт впровадження від 28.05.2008р.);

- отримано критерії стійкості границі фазового переходу у зручній для інженерного використання формі.

Особистий внесок здобувача. В усіх опублікованих по темі дисертації роботах, здобувач брав участь у постановці, у рішенні задач, в аналізі літературних джерел, написанні робіт, постановці і виконанні експерименту.

У роботі [1] провела аналіз літературних джерел. Виконала чисельні розрахунки за існуючими математичними моделями, брала участь у проведенні експерименту. У статтях [2, 6] виконала порівняльний аналіз основних допущень при дослідженні на стійкість нелінійної задачі динаміки границі розподілу середовищ неньютонівської рідини. В [3] виконала аналітичний розрахунок для побудови кривої нейтральної стійкості. У статті [4] виконала постановку задачі, брала участь в одержанні аналітичних рішень, провела чисельні розрахунки для одержання нейтральної кривої та модифікацію, що спрощує отриману умову стійкості. У роботах [5, 6] запропонувала схему експерименту, виконала конструкторські роботи по проектуванню експериментального устаткування, брала участь у одержанні експериментальних даних, провела обробку отриманих експериментальних результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи були апробовані на: наукових семінарах Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного (м. Харків 2003р.), НВК ВДЕРТ ННЦ ХФТІ (Харків 2006 - 2008р.), ІТТФ (м. Київ 2008р); Міжнародній науково-дослідній конференції «Удосконалення турбоустановок методами математичного та фізичного моделювання» ІПМаш НАН України (м. Харків 2006р); XIII Міжнародному конгресі двигунобудівників (м. Харків 2008р.)

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 7 друкованих праць, у тому числі 5 статей у спеціалізованих виданнях ВАК України (1 без співавторів), і 2 - тези доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел. Основний матеріал викладений на 114 сторінках, повний обсяг дисертації - 125 сто-рінки, у тому числі 48 малюнків, 7 таблиць, 61 найменування списку використаних джерел та 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Приводиться рівень апробації роботи, особистий внесок здобувача і кількість публікацій по темі дисертаційної роботи.

У першому розділі виконана постановка задачі дисертаційної роботи, яка полягає в дослідженні течії нагрітої неньютонівської рідини по вузькому каналі при інтенсивному теплообміні зі стінкою, температура якої значно менше температури рідини . При такої течії біля стінки утвориться пристінний нерухомий кристалізований шар висотою h, що може згодом зростати, одержуючи збільшення h', або бути стабілізованим у часі по товщині. Дослідження динаміки таких процесів і є основним предметом дисертаційної роботи.

Після постановки задачі у першому розділі виконується огляд літератури та існуючих робіт у цій області, проводиться вибір реологічної моделі для моделювання, обґрунтування вибору математичних методів для дослідження.

Досліджуваний клас задач відноситься до нелінійних задач теплопровідності з граничними умовами на рухливій границі. Аналіз робіт у цій області показав, що основними підходами для вирішення подібних задач є використання досить суттєвих припущень, що спрощують модель, зокрема, не враховується наявність внутрішнього тертя. Подібний підхід може бути виправданий для ньютонівських рідин, де внутрішнє тертя порівняно мале. Але як показав аналіз відомих експериментальних даних, ігнорування виділення внутрішньої теплоти в сильно в'язких течіях може привести до істотної погрішності моделі. Наприклад, для неньютонівських рідин може відбуватися так зване явище «теплового вибуху». Як показало вивчення робіт у цій області, для опису процесів у неньютонівських рідинах може бути використаний метод дослідження на стійкість, що у частковій мері дозволяє обійти серйозні математичні труднощі при аналізі нелінійного випадку течії з рухливою границею.

З іншої сторони огляд робіт (особливо за останній час) показав, що методи аналізу на стійкість з успіхом і досить активно застосовуються для вивчення поводження границь розділів різного типу, причому в змішаних системах, при наявності не тільки теплових і гідродинамічних, але й електромагнітних, ультразвукових та інших впливів. Звідси природним образом був зроблений висновок про доцільність і наукову корисність використання математичних методів стійкості для цього дослідження.

У першому розділі був також виконаний необхідний для використання в роботі вибір реологічної моделі поводження рідини і його обґрунтування. Були зазначені і недоліки обраної реологічної моделі, зокрема, припущення про сталість степеневого показника n, що не завжди виконується для реальних рідин.

Другий розділ присвячений експериментальній перевірці вже існуючих моделей розрахунків течії та приграничної кристалізації для нелінійно-в'язких рідин. Ця перевірка була заснована на оцінці так званої довжини течії (проливаємості). Під цим терміном мається на увазі максимальна довжина на яку може протекти нагріта рідина до кристалізаційної закупорки каналу. Експериментальна перевірка виконувалася проливкою каналів різної товщини матеріалами різного типу. Основною метою цих експериментів була перевірка адекватності існуючих розрахункових моделей і формулювання висновків про доцільність та подальший напрямок досліджень.

Для порівняння з експериментальними даними були узяті три існуючі моделі остигання рідини у каналі. Перша модель полягає у найпростішому наближенні остигання нерухомого шару речовини між двома обмежуючими стінками, температура стінок постійна. Друга модель полягає в розрахунку нестаціонарної задачі з урахуванням ефекту пристінної кристалізації, але без урахування внутрішнього тертя в потоці. Третя модель полягає у записі балансу енергій у потоці, та власне кажучи, зводиться до моделі пошарового остигання нерухомої рідини. По цих моделях були виконані розрахунки довжини проливаємості, ці величини потім були перевірені експериментально. Експериментальні запресовування були виконані на литєвой машині з об'ємом упорскування 125 мм у полості різної товщини, для чого були виготовлені спеціальні формуючі матриці циліндричної форми з невеликим кутом конусності по осі. Порівняння довжин течій, що досягаються у реальності, з розрахунковими величинами показало істотні відхилення експерименту і теорії у каналах малої висоти (порядку 1 мм і менш). Використані теоретико-розрахункові залежності в цілому дають занижену оцінку максимальної довжини течії в порівнянні з одержаною експериментально. Експериментальні дані дозволили зробити висновок, що довжина течії, а отже, і процеси приграничної кристалізації, залежать нелінійно від характеристик матеріалу та умов течії, а отже:

- математичні моделі таких процесів мають потребу в подальших удосконаленнях та розвитку;

- можливе збільшення довжини течії за допомогою зміни її характеристик і характеристик матеріалу.

У третьому розділі проводиться аналітичне дослідження стійкості границі розподілу фаз при русі рідин як ньютонівського, так і неньютонівського типу при допущеннях різного ступеня спільності. У розділі вирішуються три задачі, по мірі ускладнення допущень, щодо властивостей рідини: Ньютонівська рідина, неньютонівськая рідина зі звичайними допущеннями, неньютонівськая рідина у випадку залежності коефіцієнта пластичності від температури. Для останнього випадку залежність від температури має такий вигляд

, (1)

де k - коефіцієнт пластичності, U - енергія активації течії, Т - температура рідини. З урахуванням цього закону, припущення про пуазейлев профіль швидкості, сталість статечного показника n та з урахуванням виділення теплоти внутрішнього тертя, рівняння теплопровідності для рухливої зони течії буде мати вигляд

. (2)

Рівняння (2) отримано з загального рівняння теплопровідності з припущенням відсутності потоку тепла в осьовому напрямку та відсутності масопереносу по висоті каналу. Для першої зони, що нерухома, записується найпростіше рівняння теплопровідності, а рівняння руху границі кристалізації записується у виді

. (3)

Рівняння (2) шляхом розкладань у ряд в околі границі розподілу фаз, переходу до безрозмірних величин та математичних перетворень було зведено до рівняння наступного виду

(4)

Рівняння (4) після заміни перемінних дозволяє одержати рішення у виді функцій Бесселя

(5)

Після усіх підстановок у рівняння (3), переходу до збуреного рівняння відносно рівноважного положення границі h0 та наступної лінеаризації було отримане рівняння для збурення границі розподілу фаз, що допускає експонентне рішення. У результаті була отримана умова стійкості (як вимога від'ємності показника експоненти)

, (6)

де коефіцієнт є функцією характерних чисел течії Re, Pe, Eu

, (7)

, , , . (8)

Параметр Tp був введений автором для зручності інженерних розрахунків та умовно названий «технологічним параметром», тому що містить у собі фізичні властивості рідини і зовнішні умови течії якими можна керувати в технологічних процесах. Нелінійна умова стійкості аналізувалося за допомогою чисельних методів, у результаті чого була отримана крива нейтральної стійкості в координатах Re - h0 (рис. 2).

Аналіз отриманої залежності показує, що стаціонарний стан щодо положення границі може існувати і бути стійким в області малих величин висоти кристалізованої фази (точка перегину кривій). В області більш високих величин h0 стійкість може бути досягнута в області або високих, або низьких чисел Рейнольдсу.

Нейтральні криві були отримані також і для випадків ньютонівської рідини, і для випадку неньютонівської рідини без урахування залежності коефіцієнта пластичності від температури

Порівняльний аналіз показав, що відмінності між отриманими кривими істотні. У такий спосіб установлено, що урахування залежності удаваної в'язкості від температури є важливим якісним фактором при розгляді поставленої задачі, а нейтральні криві для ньютонівської рідини значно якісно відрізняються від кривих для неньютонівської.

У четвертому розділі описана експериментальна установка, методика та техніка вимірів, представлене їх обґрунтування, описані експериментальні результати дослідження динаміки границі розподілу фаз, проведене порівняння з теоретичними результатами.. Неньютонівська рідина тече по вузькому каналу, виконаному у плиті прес-форми . Канал виконаний відкритим, для того щоб рідина, що тече, вільно виходила в напрямку , прикладений тиск мав лінійний характер спаду. Верхня частина каналу закрита прозорим склом, що дозволяє вести відеозйомку течії за допомогою цифрової камери . Для виміру граничних теплових режимів на металевій стінці каналу встановлена термопара 6, на нижній границі скла встановлена термопара . Обидві термопари приєднані до реєструючого пристрою .

Упорскування розплавленого матеріалу здійснюється у точці 3 через сопло литєвої машини. За допомогою блоку та через оптоволоконий кабель здійснюється підсвічування каналу.. Висота каналу (у площині відеозйомки) складала 3 мм, глибина - 10 мм. Як джерело розплаву псевдопластика була використана стандартна мала литєва машина вертикального типу з обсягом матеріального циліндру 50 см3.

У ході експерименту була виконана візуалізація течії поліпропілену марки Lipol українського виробництва для різних температур розплаву. При експериментальних запресовуваннях температура розплаву варіювалася у діапазоні від 160o до 250оС. Як візуалізуючі частки використовувалася дрібна абразивна крихта (розмір часток порядку 0.05 мм).

На цифровому відеозаписі було отримано чітке відеозображення наростання кристалізованої нерухомої фази в часі для усіх виконаних запресовувань

Аналіз профілю течії показав, що воно відповідає вимогам експерименту - течія є пуазейлевою та має ламінарний характер. Дані температурних датчиків показали, що процеси теплообміну інтенсифіковані у поперечному до каналу напрямку (по висоті каналу). Зміна тиску в течії запресовування отримана за допомогою датчика тиску цілком відповідає даним по зміні тиску при литті термопластичних матеріалів: різке наростання тиску до пікового, потім незначний спад і вихід на стаціонарну величину.

Було встановлено, що на початкових етапах течії у стінки відбувається практично миттєве (відразу за початковим профілем потоку) утворення пристінного кристалізованого шару товщиною порядку 0.17 мм. Аналіз відеозаписів по кадрах дозволив одержати експериментальні залежності росту кристалізованого шару як функції часу, а також зміни швидкості росту кристалізованої фази в часі. Погрішність виміру висоти кристалізованого шару по зображенню кадру не перевищувала 2%.

Границя кристалізованого шару чітко візуалізовувалася по помутнінню нерухомого полімеру, що закристалізувався, і зупинці візуалізуючих часток. Отримані залежності для зміни швидкості росту нерухомого шару як функції часу мають коливальний характер. Було показано, що експериментальні залежності для швидкості можна апроксимізувати поліноміальними і експонентними емпіричними залежностями з різним ступенем точності.

Порівняння залежностей швидкості для різних температур розплаву показало, що цей фактор впливає на швидкість росту тільки в початковій фазі течії, де швидкості росту можуть відрізнятися друг від друга у 1.2-1.6 рази, причому розплав з більш високою температурою ядра має більші початкові швидкості росту.

Виміри температур у ході експериментів дозволили установити експериментальне значення місцевого коефіцієнта теплообміну (числа Нуссельта) на границі розподілу фаз. При обчисленні Nu передбачалося, що температура на границі розподілу фаз дорівнює температурі кристалізації досліджуваного полімеру. Було виконане порівняння експериментальних результатів з теоретичними, для чого була отримана крива нейтральної стійкості для прямокутної геометрії, що відповідає експериментальному каналові. Установлено, що течії, реалізовані в експерименті, найчастіше попадають в область нестійкості. Основні параметри експериментальної течії приймали наступні значення: Re=7.7; Pe=3300; Eu=1.3 106; Tp=0.112). Було сформульовано наступне пояснення фактові нестійкості течії, що спостерігається згідно отриманим експериментальним кривим росту: висота кристалізованої фази відповідна безрозмірній величині h=0.16-0.20 виникає менш ніж за 0.04 сек. після чого течія відповідно до нейтральної кривої відразу попадає в нестійку область (за рахунок великої величини h).

Таким чином, можна зробити висновок, що початковий перехідний процес істотно впливає на подальше поводження кристалізованої фази. Реалізація стійких течій набагато складніша, але у ході експерименту вдалося отримати також і стійкі течії але протягом невеликого відрізку часу, що було зумовлене невеликим об'ємом матеріального циліндру литєвої машини. Таким чином зрозуміло, що для отримання більш довгого процесу необхідно застосовувати інше технологічне обладнання, наприклад, таке, як термопластапарат.

Розвинутий у роботі теоретичний підхід дозволив зробити порівняння теоретичних і експериментальних темпів росту пристінного нерухомого шару у початковий момент часу, коли нерухомий шар ще не занадто великий. Для теоретичної оцінки росту використовувалося експонентне рішення лінеаризованого граничного рівняння й отриманий вид декременту загасання. Експериментальна крива й експонентна теоретична крива для темпу росту прикордонного шару.

У початковій фазі течії маємо гарний збіг з теорією; а з ростом кристалізованого слою з'являються розбіжності теоретичної й експериментальної залежностей. Це пояснюється тим, що при аналітичному дослідженні рівняння теплопровідності (4) для лінеаризації та приведення до бесселевих рішень ми використовували розкладання в ряд в околиці границі розподілу фаз; отже, ці рішення описують динаміку росту нерухомої фази тільки при невеликих величинах кристалізованого шару.

ВИСНОВКИ

У рамках дисертаційної роботи були отримані наступні результати:

Розроблено систему рівнянь і знайдене її рішення, що описує стійкість стаціонарних станів у системі рухлива неньютонівська рідина - кристалізована нерухома фаза з урахуванням дисипативного тепла у потоці.

Виявлено динаміку росту й особливості виникнення пристінного кристалізаційного шару, встановлено, що ці особливості істотно впливають на поводження системи особливо у плані можливості досягнення стійких, стаціонарних станів.

Експериментальним шляхом перевірена якісна адекватність отриманої умови стійкості. Отримані експериментальні значення характерних параметрів теплообміну на границі розподілу фаз.

Сформульовано рекомендації з підбору параметрів течій полімерів з погляду оптимізації температурних режимів і витрати матеріалів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Репалова О.Н.. Влияние теплообмена на формуемость под давлением / О.Н. Репалова, А.О. Бастеев, А.В. Дашков, О.В.Кравченко // Пробл. машиностроения. - 2005. - Т. 8, №1. - С.95-101.

Репалова О.Н. Математическое моделирование поведения границы раздела кристаллизованный слой - подвижная горячая жидкость методами исследования на устойчивость / О.Н.Репалова, А.В.Бастеев, О.В.Кравченко, А.В.Дашков// Пробл. Машиностроения - 2007. - Т.10, №1. - С.107-110.

Репалова О.Н Исследование устойчивости границы раздела фаз при охлаждении движущейся ньютоновской жидкости / О.Н. Репалова, А.В.Бастеев, А.В. Дашков, О.В. Кравченко // Вестник НТУ «ХПИ» - 2007. - №8. - С.101-107.

Бастеев А.В. Устойчивость границы фазового перехода в подвижной неньютоновской жидкости/ А.В. Бастеев, А.В. Дашков, О.В.Кравченко, О.Н.Репалова // Прикладная гідромеханіка - 2008. - Т.10(82), №2. - С. 69-74

Репалова О.Н Визуализация процесса приграничной кристаллизации при вынужденном движении нелинейно-вязкой жидкости по трубопроводам и каналам/ О.Н. Репалова //Авиационная наука и технология - 2008. - № 4(51) - С. 15-18.

Репалова О.Н. Математическое моделирование поведения границы раздела кристаллизованный слой- подвижная горячая жидкость методами исследования на устойчивость/ О.Н Репалова // Міжнародна науково-дослідна конференція Удосконалення турбоустановок методами математичного та фізичного моделювання: тез.доп. на CD. - Харків: ИПМаш НАНУ, 2006.

Репалова О.М. Візуалізація процесу приграничної кристалізації при вимушеному русі нелінійно-в'язкої рідини у трубопроводах та каналах/ О.М. Репалова //XIII Міжнародний конгрес двигунобудівників: тез. доп. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т «Харк. авіайц. ін-т», 2008.-С. 116.

АНОТАЦІЇ

Репалова О.М. Теплообмін та динаміка процесу утворення прикордонної кристалізованої фази у неньютонівській рідині, що рухається. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06. - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика - Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, Харків, 2008р.

Дисертація присвячена експериментальному та теоретичному дослідженню процесів приграничної кристалізації нагрітої неньютонівської рідини, що рухається у каналі під зовнішнім тиском, коли температура стінки значно нижче температури ядра потоку.

Був розвинутий теоретичний підхід, заснований на дослідженні можливості організації в течіях такого класу стаціонарного стану, коли пристінний нерухомий шар, що виникає у процесі кристалізації, був би стаціонарним. Для цього була використана схема дослідження на лінійну стійкість, яка полягала в одержанні лінеаризованого рівняння руху границі у збурюваннях, і наступному одержанні рішення у вигляді експонентної функції. Були отримані аналітичні умови стійкості для ньютонівської рідини у випадку прямого каналу, для неньютонівської рідини у випадку циліндричної геометрії каналу, а також у припущенні залежності удаваної в'язкості від температури потоку. Була побудована крива нейтральної стійкості, що обмежує області параметрів, де можна чекати наявність стаціонарних станів щодо положення границі розподілу фаз.

У результаті експериментального дослідження течії псевдопластика у прямому каналі з візуалізацією процесу росту пристінної фази були отримані залежності темпу і швидкості росту кристалізованої фази як функції часу. Виміри температури на границях течії дозволили побудувати експериментальну криву зміни числа Nu як функцію часу.

Ключові слова: неньютонівська рідина, прикордонна кристалізація, псевдопластик, стійкість положення границі, теплообмін у нелінійно-в'язкой рідині.

Репалова О.Н. Теплообмен и динамика процесса образования приграничной кристаллизованной фазы в подвижной неньютоновской жидкости. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06. - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика - Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков, 2008г.

Диссертация посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию процессов приграничной кристаллизации в нагретой неньютоновской жидкости, движущейся в канале под внешним давлением в случае, когда температура стенки значительно ниже температуры ядра потока.

Организация режимов течения нагретой неньютоновской жидкости с точки зрения оптимизации процессов теплообмена и получения максимальной длины течения важна в приложениях к технологическим процессам переработки полимеров, течений в трубопроводах и установках различного назначения, например течения нефти, масел, глиняных и бетонных растворов, а также пищевых смесей. Повышение стоимости полимерного сырья обусловило появление новых требований к конструированию технологической оснастки, и определению возможных параметров течения для получения наибольшего экономического эффекта на массе изделий и производительности.

Для более глубокого изучения процессов, происходящих в исследуемой системе, был развит теоретический подход, основанный на исследовании возможности организации в течениях описываемого класса стационарного состояния, когда пристеночный неподвижный слой, возникший в процессе кристаллизации, был бы стационарен и не рос со временем. Для этого была использована схема исследования на линейную устойчивость. Эта схема заключалась в получении линеаризованного уравнения движения границы в возмущениях, и последующего получения решения в виде экспоненциальной функции. Требование отрицательности показателя экспоненты давало условие устойчивости. Были получены аналитические условия устойчивости для ньютоновской жидкости в случае прямого канала, для неньютоновской жидкости в случае цилиндрической геометрии канала, а также для неньютоновской жидкости в предположении зависимости кажущейся вязкости от температуры потока. В результате полученных аналитических решений удалось построить кривую нейтральной устойчивости, определяющую те области параметров, где можно ожидать наличие стационарных либо нестационарных состояний относительно положения границы раздела фаз. С помощью численных экспериментов было выяснено, каким образом изменяется нейтральная кривая (и соответственно области устойчивости) с изменением температурных режимов и степенного показателя течения. Теоретически установлена важность величины начальной высоты кристаллизованного слоя для дальнейшего развития стационарного и нестационарного положений границы.

В процессе экспериментального исследования течения псевдопластика в прямом канале удалось выполнить визуализацию процесса роста пристеночной фазы. Были получены зависимости изменения высоты пристеночного слоя и скорости его роста как функции времени. Также был выявлен колебательный характер изменения скорости роста пристеночной неподвижной фазы, и выполнена экспоненциальная и полиномиальная аппроксимация полученных экспериментальных кривых. Замеры температуры на границах течения позволили построить экспериментальную кривую изменения числа Nu как функцию времени, которая показала, что условия теплообмена на границе раздела фаз в процессе роста кристаллизованной фазы меняются значительно. Получено совпадение данных с теорией в плане попадания экспериментальных течений в предсказанные теоретически области устойчивости и неустойчивости. Проанализированы экспериментальные величины начальной высоты кристаллизованного слоя, который образуется в течение переходного процесса в начальной фазе течения. Установлено, что эти величины достаточно велики, и это означает высокую вероятность попадания течений такого класса в неустойчивую область.

Ключевые слова: неньютоновская жидкость, приграничная кристаллизация, псевдопластик, устойчивость положения границы, теплообмен нелинейно-вязкой жидкости при течении в канале.

Repalova O.N. Heatexchange and dynamics of border crystallized phase formation in moving non-Newtonian liquid. - A manuscript.

Dissertation for the candidate of technical science degree in specialty 05.14.06 - Technical thermal physics and industrial heat power engineering. - A.M. Podgorny Institute for Mechanical Engineering Problems of the National Academy of Sciences of Ukraine. Kharkov, 2008.

The theoretical model based on investigation of stability of solid layer near the wall with temperature mach less then non-Newtonian flow one has been developed. The flow is considered to move under external pressure, and creation of solid layer is considered as a result of crystallization processes. The method of linear stability was used for resolving of perturbations equation. As a result the solution with Bessel functions and diagram of stability were received. The analytical conditions of stability were received for cases of Newtonian flow, ordinary non-Newtonian flow, and non-Newtonian flow with viscosity as a function of temperature. Experimental investigations consists the visualization of solid layer grow process (non-stability), and verification of stability conditions. Polypropylene was used as a non-Newtonian liquid. The layer grow dynamic and heat conditions on the boundary were received in experiment also. It was established that initial height value of solid layer is critical for possibility of stable boundary position. The experimental boundary Nu value was calculated as a function of layer height.

Размещено на Allbest.ru