Моделирование неравновесных процессов кристаллизации, кавитации и гидратообразования в метастабильных средах

• Автор: Чернов, Андрей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 172 с. : ил.

Оглавление
1 Введение
2 Затвердевание переохлажденных расплавов
2.1 Рост кристалла в переохлажденном расплаве
2.1.1 Кинетика роста кристалла
2.1.2 Механизм роста сферического кристалла в переохлажденном расплаве с учетом тепловых эффектов, сопровождающих данный процесс
2.2 Кинетика спонтанного зародышсобразования
2.2.1 Кинетика гомогенного зародышеобразования. Стационарная частота нуклеации
2.2.2 Кинетика гетерогенного зародышеобразования
2.2.3 Нестационарная частота нуклеации. Время запаздывания при зародышеобразовании
2.3 Кинетика суммарного превращения
2.3.1 Изотермическая модель объемной кристаллизации и некоторые аналитические решения
2.3.2 Неизотермическая модель объемной кристаллизации
2.3.3 Результаты расчетов на примере кристаллизации переохлажденных расплавов металлов
2.4 Кинетика аморфизации расплавов
2.5 Моделирование затвердевания тонкого слоя расплава металла, быстро
приведенного в контакт с холодной подложкой

3 Кавитация расплавов в процессе их кристаллизации
3.1 Сегрегационный механизм кавитации газонасыщенного расплава. Критерий отсутствия газовыделения
3.2 Кавитация расплава в процессе его объемной кристаллизации, обусловленная усадкой вещества
3.2.1 Теоретическая модель процесса
3.2.2 Результаты расчетов на примере кавитации кристаллизующихся расплавов металлов
4 Моделирование взрывных вулканических извержений
4.1 Классификация вулканических извержений
4.2 Состав и свойства магматических расплавов
4.3 Теоретическая модель взрывного вулканического извержения
4.3.1 Постановка задачи
4.3.2 Результаты численных расчетов
5 Процессы растворения и гидратообразования при ударно-волновом воздействии на газожидкостную среду
5.1 Некоторые сведения о газгидратах
5.2 Описание эксперимента
5.3 Теоретическая модель процесса
5.4 Результаты расчета. Сравнение с экспериментом и анализ полученных
результатов
Заключение
Литература

Глава
Введение
Неравновесные процессы тепломассообмена в многофазных средах, сопровождаемые фазовыми переходами, являются одним из важных и малоизученных разделов науки, находящимся на стыке механики, теплофизики и энергетики и представляет несомненный научный и практический интерес. При математическом моделировании таких сред приходится сталкиваться с большими трудностями, связанными с многообразием протекающих в них процессов. Однако необходимость такого моделирования очевидна, т. к. полученные из теории знания уменьшают объем необходимых экспериментальных исследований и позволяют выбрать оптимальные условия для их реализации, а представление о сути рассматриваемых процессов дает возможность непосредственного управления ими.
Фазовые переходы первого рода (кристаллизация, кипение, конденсация и др.) в своем развитии проходят через одни и те же стадии. Предшествует всему процесс создания метастабильного состояния вещества (переохлаждения, перегрева, пересыщения) — состояния квазиустойчивого равновесия, в котором вещество может находиться продолжительное время.
Впервые переохлажденное состояние воды в 1724 г. наблюдал Фаренгейт при исследовании ее кристаллизации [1]. В 1875 г. Кулье исследонал образование капелек в пересыщенном паре. Эти исследования были продолжены Айткеном (1880 г.), Кис-слингом (1884 г.), Гельмгольцем (1886 г.), Вильсоном (1897-1904 гг.). Пересыщенные газовые растворы в 1837 г. впервые исследовались Шенбейном. Позднее (1865 г.) существенный вклад в изучение этой системы внес Гернец, а также Шредер (

lg Jf"
Рис. 2.2. Зависимость частоты гомогенной нуклеации J^om от переохлаждения АТ для: 1 — алюминия; 2 — меди; 3 — никеля.
Краевые условия для fs(R) можно сформулировать н соответствии с моделью Беккера-Деринга:
/.//о—И; Л//о --------► 0.
Я-> 0 R-> со
Решение, удовлетворяющее обоим поставленным условиям, есть [169]
к - Т Г —
/о 'Л Dfo’
Js = il Wo) -2f^D^)MRcr)-
В результате имеем
Jhs°m = iVmmexp , (2.2.И)
где AF(Rcr) = 16TrafsT^el/(3pj L2AT2) — работа образования критического зародыша в гомогенном процессе; J^om = (2 dm/h)(aiskBT)ll2 exp(—U/(kBT)) — кинетический коэффициент гомогенного зародышсобразования.
Анализ выражения (2.2.11) показывает, что параметром, наиболее сильно влияющим на частоту нуклеации (помимо, конечно же, переохлаждения расплава) является поверхностное натяжение на границе расплав-криталл ад. Это связано с существенной зависимостью от него работы образования критического зародыша.
На рис. 2.2 приведены зависимости частоты гомогенного зародышеобразования от переохлаждения, построенные для алюминия, меди и никеля. Все теплофизические и кинетические свойства, используемые в расчетах, взяты из работ [170-174] и