Исследование зон аккумуляцмм частиц в дисперсных потоках

• Автор: Лебедева, Наталья Анатольевна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 121 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 Обзор литературы по течениям с локальными зонами аккумуляции частиц
2 Двухконтинуальная модель дисперсной среды
2.1 Основные предположения и уравнения
2.2 Полный лагранжев метод
3 Аккумуляция частиц вблизи критических и стационарных точек
3.1 Стационарные течения в окрестности критических точек
3.1.1 Постановка задачи о несимметричном взаимодействии вязких дисперсных потоков
3.1.2 Предельный случай взаимодействия вязкого дисперсного потока с твердой стенкой
3.1.3 Столкновение вязких дисперсных потоков
3.1.4 Несимметричное взаимодействие невязких дисперсных потоков
3.2 Нестационарное течение в окрестности стационарной точки
4 Аккумуляция дисперсной примеси в течениях с локализованными вихревыми зонами
4.1 Течение типа торнадо с дисперсными включениям
4.2 Дисперсное течение Кельвина типа “кошачий глаз”
5 Фокусировка частиц в сдвиговом течении
Заключение
Литература

Введение
Исследования дисперсных потоков стимулируются многочисленными приложениями в аэромеханике (движение летательных аппаратов в газопылевых и аэрозольных облаках), теплоэнергетике (парокапельные течения в парогенераторах, двухфазное обтекание лопаток турбомашин), промышленных технологиях (окраска напылением, центрифугирование, производство порошковых материалов), медицине (лекарственные аэрозоли), экологии (промышленные выбросы в атмосферу), метеорологии (песчаные бури, смерчи, торнадо), нефтедобыче (технология гидроразрыва) и др. В перечисленных приложениях объемная доля дисперсной примеси, как правило, мала, однако инерционные свойства частиц и несущей фазы существенно различаются. В силу этого имеет место рассогласование скоростей фаз и, как следствие, формирование значительных неоднородностей в поле осредненной плотности (концентрации) дисперсной фазы даже в случае несжимаемой несущей фазы.
В последнее время наметился значительный интерес к изучению областей предпочтительной аккумуляции дисперсных частиц в различных потоках и механизмов формирования таких областей. Указанный интерес связан с развитием методов визуализации потоков с использованием малых дисперсных частиц-трейсеров (методы РГУ, РТУ, ЛДИС), усовершенствованием технологий инерционной коагуляции аэрозолей, а также с развитием моделей механики многофазных сред применительно к описанию двухфазных течений с фазовыми переходами (испарением, конденсацией, кавитацией и др.), интенсифицирующимися в областях скопления дисперсной фазы. Кроме того,

последнее время быстро развиваются технологии, использующие сфокусированные пучки микро- и наночастиц (технологии очистки поверхностей, резки материалов, нанесения покрытий), для формирования которых используются специально организованные газовые потоки (“аэродинамические линзы”).
При моделировании течений разреженных дисперсных смесей типа запыленных газов, аэрозолей, пузырьковых жидкостей, разреженных суспензий дисперсная фаза обычно описывается уравнениями континуума, лишенного собственных напряжений. Межчастичными взаимодействиями и хаотической составляющей скорости частиц, как правило, пренебрегается. Такой “холодный” континуум с нулевыми собственными напряжениями обладает повышенной сжимаемостью. Более того, в дисперсной среде возможно возникновение зон, свободных от частиц (фрагментация фазового объема) и областей пересекающихся траекторий частиц (образование “сборок” и “складок”), на границах которых концентрация дисперсной фазы резко возрастает. “Складкой” называется область течения, в которой в одну и ту же точку пространства приходят различные траектории частиц, так что часть пространства оказывается покрытой несколькими слоями среды. При этом в силу малости объемной концентрации частиц межчастичными столкновениями можно пренебречь, поскольку реальные частицы приходят в данную точку пространства в разные моменты времени.
В случае бесконечно малой инерционности частиц поля скоростей дисперсной и несущей фазы совпадают и при однородной начальной загрузке потока частицами концентрация дисперсной фазы во всем поле течения постоянна. При учете малой, но конечной инерционности частиц картина поля осред-ненной плотности дисперсной фазы резко изменяется, возникают локальные неоднородности концентрации дисперсной фазы, которые в первую очередь проявляются вблизи кинематических особенностей поля скоростей несущей фазы (критических точек, разрывов, зон локализованной завихренности и др.). В связи с этим представляет интерес исследование полей концентрации инерционных частиц вблизи основных гидродинамических особенностей,

Фиг. 3.1.2. Линии тока, профили скоростей, распределение концентрации дисперсной примеси (сплошные линии) и несущей фазы (штриховые линии) при Л = 1, а — 0, /3 = 4, 2/0 = 5. Профили скоростей и и ия представлены для х = ±5.
Для текущей координаты частицы параметры несущей фазы находились с использованием линейной интерполяции значений, найденных на фиксированной эйлеровой сетке.
Анализ построенного таким образом решения показал, что в эйлеровых координатах скорость и концентрация дисперсной фазы имеют автомодельный вид
Щ(х,у) = Щу) +хг(у), Ьх(х,у) = д(у), п3(х,у) = п(у) (3.1.14)
Здесь к(у), г{у), д(у), п(у) — функции, зависящие только от у. Числовая концентрация частиц не зависит от параметра А, а значит и от угла, под которым натекает поток.
На фиг. 3.1.2, 3.1.3 изображены параметры течений для двух режимов. В случае, когда частицы достигают стенки с ненулевой вертикальной скоро-