Динамика локальных неоднородностей и межфазных поверхностей в двухфазных системах

• Автор: Бобков, Николай Николаевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 403 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ГИДРОМЕХАНИКИ ДВУХФАЗНЫХ СИСТЕМ
§1.1. Экспериментальные исследования и теоретические модели структуры
псевдоожиженного слоя
§ 1.2. Межфазный массоперенос в системах с неоднородным псевдоожижением
ГЛАВА II. СТАЦИОНАРНЫЕ ЗАДАЧИ О РАЗРЫВАХ И ПРОСТЕЙШИЕ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ПАКЕТОВ ЧАСТИЦ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ
§ 2.1. Псевдоожижение неоднородного зернистого слоя в поле центробежных сил..
§ 2.2. Об инерционных эффектах на разрывах концентрации твердой фазы в дисперсной
среде
§ 2.3. Модель движения пакетов частиц в развитом псевдоожиженном слое
§ 2.4. О движении твердой и жидкой фаз вблизи местной неоднородности концентрации в
псевдоожиженном слое
§ 2.5. О движении неоднородностей развитого кипящего слоя при малых числах
Рейнольдса
§ 2.6. Модель вязких фаз в задаче о динамике локальной неоднородности концентрации частиц в псевдоожиженном слое
ГЛАВА III. НЕСТАЦИОНАРНАЯ ДИНАМИКА НЕОДНОРОДНОСТЕЙ РАЗВИТОГО ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ И НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕНОСА МАССЫ ПУЗЫРЯМИ И ПАКЕТАМИ
§ 3.1. О нестационарных движениях локальных неоднородностей в псевдоожиженном

§ 3.2. Модель неоднородного псевдоожиженного слоя при обмене частицами между
неоднородностью и слоем
§ 3.3 Динамика локальных неоднородностей концентрации твердой фазы в
псевдоожиженном слое магнитных частиц
§ 3.4 Модель гидродинамического взаимодействия неоднородностей в псевдоожиженном

§ 3.5 О влиянии процессов дробления и слияния пузырей на массообмен в
псевдоожиженном слое

§ 3.6 Массоперенос к местной неоднородности концентрации твердой фазы в псевдоожиженном слое
ГЛАВА IV. НОВЫЕ ЗАДАЧИ ДИНАМИКИ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ И ПРОБЛЕМЫ ТЕРМОКАПИЛЛЯРНОСТИ ПРИ НЕЛИНЕЙНОЙ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
§ 4.1 Структура течения в жидком слое и спектр краевой задачи при нелинейной
зависимости поверхностного натяжения от температуры
§ 4.2 Динамика вязкой жидкости конечной теплопроводности в плоском канале под
действием нелинейных сил Марангони
§ 4.3. Об одном обобщении задачи Тейлора о течении вязкой жидкости внутри угла с
подвижной гранью
§ 4.4. Автомодельное решение задачи о ползущем движении вязкой жидкости внутри
двугранного угла с деформируемыми границами
§ 4.5. Термокапиллярное течение вязкой жидкости внутри угла со свободной границей под действием сил Марангони
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Двухфазные системы, то есть системы газ (жидкость) — твердые частицы или газ - капельная жидкость, широко распространены в природе и технике. Их отличительной особенностью является сложное взаимодействие двух веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях, реализующееся на интенсивно развитой межфазной поверхности. Начиная примерно с середины XX века, закономерности таких систем являются предметом активных исследований методами механики дисперсных сред.
Одно из центральных мест среди двухфазных систем занимают псевдоожиженные системы, в которых специфический контакт фаз осуществляется в результате взвешивания массы частиц, находящихся во внешнем силовом поле (гравитационном, магнитном, поле сил инерции), в восходящем потоке газа или жидкости, компенсирующем указанное внешнее воздействие на частицы за счет межфазного трения.
Повышенный интерес к псевдоожижению связан в основном с тем, что псевдоожижен-ный («кипящий») слой, как свидетельствует более чем полувековой опыт его промышленной эксплуатации, обладает заметными преимуществами по сравнению с другими типами контактирования. Так, «псевдотекучесть» дисперсной фазы дает возможность организации непрерывных циклических процессов, изотермичность рабочего пространства, обусловленная интенсивным перемешиванием частиц и жидкости, позволяет достигать высоких значений удельных тепловых нагрузок, а развитая поверхность межфазного контакта способствует активизации механических и обменных процессов в слое. Использование технологии псевдоожижения обеспечивает создание компактных и сравнительно просто автоматизируемых установок большой единичной мощности в соответствии с настоятельными потребностями современного научно-технического прогресса.
К настоящему времени в области исследования псевдоожижения накоплен значительный экспериментальный и теоретический материал, отраженный и систематизированный в целом ряде монографий и обзоров отечественных и зарубежных авторов [1-57]. Полученные данные служат фундаментом для постоянного расширения сферы промышленного приложения техники кипящего слоя. Наряду с использованием псевдоожиженных систем в таких традиционных отраслях, как химическая промышленность, [7, 8, 14, 15, 19,21, 27, 29, 31, 38, 40, 47], нефтепереработка [16, 32, 33, 43], металлургия [2, 3, 5, 9], энергетика [4, 16, 18, 26, 30, 42], этот прогрессивный метод получил распространение в медицинской и пищевой промышленности [25, 35, 37, 41, 53, 58, 59], биотехнологии [20, 22, 34, 55, 56, 60-67], геофизике

вдоль и поперек траектории на течение фаз в его окрестности [314, 315].
Перейдем к рассмотрению ряда недостаточно исследованных аспектов механики движения пузырей. К числу их относятся, в частности, характер течения ожижающего агента внутри пузыря, движение дисперсных частиц в пузырях и влияние эффективной вязкости твердой фазы на течение фаз псевдоожиженного слоя.
Непосредственные измерения параметров потока газа внутри пузырей чрезвычайно сложны и экспериментальные методы таких измерений до сих пор не разработаны. Единственной работой теоретического плана по этому вопросу, по-видимому, является статья Пайла и Роуза [316]. Не делая попыток записать уравнение движения ожижающего агента в рассматриваемой области, авторы, основываясь на модели Дэвидсона внешнего течения, исходят из общего вида функции тока Стокса для жидкой фазы внутри пузыря. Внешнее и внутреннее решения «сшиваются» при условии непрерывности касательной компоненты скорости газа на границе пузыря. Как показывают исследования автора настоящей диссертации (§2.4), использование этого условия в рамках модели Дэвидсона некорректно.
В обзоре Роу [317] бездоказательно принимается, что течение ожижающего агента внутри пузыря носит характер прямолинейного однородного потока. Однако анализ уже довольно простых модельных задач показывает, что ввиду существенной роли конвективного ускорения следует ожидать возникновения завихренности в потоке при пересечении газом поверхности разрыва рассматриваемого типа. Ямамото и Йошида [318] пришли к такому выводу, исследуя течение газа сквозь стенку в виде предельно расширенного (р —» 0) слоя фиксированных частиц.
Известна ссылка Дэвидсона [6] с. 158 на работы Роуза и Мак-Вильяма, экспериментально показавших возникновение внутри пузырей в псевдоожиженном слое циркуляционных потоков ожижающего агента, подобных вихрю Хилла. К сожалению, эти работы малодоступны и анализ условий экспериментов не представляется возможньм.
Косвенным подтверждением возможности замыкания газа в пузырях могут служить эксперименты Хассетта [259].
Выше уже упоминалось, что во всех известных моделях движения пузырей инерционность жидкой фазы игнорируется ввиду того, что в случае псевдоожижения газами, когда df /ds «1, она пренебрежимо мала по сравнению с силой межфазного взаимодействия в
области плотного слоя. Такое пренебрежение представляется безосновательным внутри пузыря, где твердая фаза практически отсутствует.
Правильное описание внутреннего течения требует также учета изменения давления газа при пересечении границы пузыря в соответствии с динамическим условием для жидкой