Конвективные течения и теплообмен в жидкостях вблизи термодинамической критической точки

• Автор: Соболева, Елена Борисовна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 272 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Обзор моделей, численных методов и результатов исследования конвективных течений и теплопереноса в околокритических жидкостях
1.1. Физические свойства веществ вблизи критической точки
1.2. Особенности механики околокритических сред;
поршневой эффект
1.3. Конвективные течения на Земле и в условиях
космического полета
1.4. Конвективные течения внутри пористых образований
1.5. Модели и методы численного решения задач о конвекции
Глава 2. Модели и метод численного моделирования динамики
и теплопереноса в однофазной околокритической жидкости и в пористой среде с околокритической жидкой фазой
2.1. Гидродинамическая модель с двухмасшгабным расщеплением давления для околокритической однофазной среды
2.2. Гидродинамическая модель с двухмасштабным расщеплением давления для пористой среды с околокритической жидкой
фазой
2.3. Стратификация околокритической жидкости
2.4. Методика численного интегрирования
2.5. Пример численного моделирования акустических явлений
2.6. Приближение Обербека-Буссинеска и критерии подобия
2.7. Приближение Буссинеска-Дарси и критерии подобия
2.8. Заключение
Глава 3. Конвективные течения и теплоперенос в однофазных
околокритических жидкостях при отсутствии механического равновесия в неизотермических условиях
3.1. Тепловая гравитационная конвекция при боковом подводе
тепла и охлаждении; три границы - теплоизолированные
3.2. Тепловая гравитационная конвекция в области с боковыми изотермическими границами
3.3. Тепловая гравитационная и вибрационная конвекция
при микрогравитации. Интерпретация экспериментов
3.4. Влияние уравнения состояния на конвективное течение
и теплоперенос

3.5. Аналитическое и численное исследование поршневого эффекта, возникающего от источника постоянной мощности
3.6. Поршневой эффект и конвективный термин, возникающие
от источника конечного размера
3.7. Заключение
Глава 4. Конвекция Рэлея-Бенара в околокритическом гелии (5Не) и вопросы устойчивости механического равновесия
4.1. Определение параметров моделирования по физическим свойствам гелия вблизи критической точки
4.2. Определение порога устойчивости механического равновесия
в околокритической среде при влиянии стратификации
4.3. Влияние сжимаемости на конвективные течения и теплоперенос вблизи порога устойчивости
4.4. Моделирование многоячейковой конвекции
4.5. Сравнение с экспериментальными и аналитическими данными
4.6. Стабилизирующий эффект сильной стратификации
вблизи критической точки
4.7. Заключение
Глава 5. Конвективные сечения и теплоперенос в околокритических жидкостях внутри пористых образований
5.1. Аналитическое исследование поршневого эффекта
в околокритической жидкости внутри пористого слоя
5.2. Численное моделирование поршневого эффекта
5.3. Тепловая гравитационная конвекция в вертикальных областях
с боковым нагревом
5.4. Стационарная конвекция Рэлея-Дарси в условиях сильного влияния стратификации
5.5. Пороговые характеристики конвекции Рэлея-Дарси в условиях сильного влияния стратификации
5.6. Поршневой эффект и развитие конвекции Рэлея-Дарси
в двухслойной области
5.7. Заключение
Основные результаты и выводы
Литература
Основные обозначения
Введение

Введение
Актуальность исследований. Жидкости с параметрами вблизи термодинамической критической точки в настоящее время привлекают все больше внимания как объект фундаментальных исследований и рабочая среда в современных инновационных технологиях. Около- и сверхкритические жидкости широко используются в материаловедении в качестве реактивных сред в процессах синтеза. Вблизи критической точки меняются некоторые свойства, влияющие на протекание химических реакций, например, у воды уменьшается диэлектрическая проницаемость почти в 15 раз. Поэтому, используя околокритические среды в качестве растворителя, можно синтезировать новые материалы, в частности, микрочастицы и нанокристаллы с заданными средним размером, формой, пористостью. Проблемы экологии привели с созданию современного способа переработки токсичных отходов — методу сверхкритического водного окисления, основанному на разложении вредных веществ в воде со сверхкритическими параметрами. Около- и сверхкритические жидкости участвуют и в процессах тепло- и массоперепоса в гидротермальных системах, нефтяной геологии, нефтедобыче.
Интерес к околокри гическим жидкостям связан с их специфическими свойствами, поэтому именно физические, термодинамические, транспортные свойства среды вблизи критической точки долгое время были фокусом научных исследований. Однако, как позднее стало понятно, нельзя пренебрегать гидродинамическими эффектами, поскольку такие среды проявляют сильную подвижность. Околокритические жидкости обладают высокой гравитационной чувствительностью, то есть, демонстрируют сильный отклик на действие силы тяжести, что порождает интенсивные конвективные течения. Эти жидкости чувствительны и к температурному фактору - действие слабого теплового источника может инициировать перемещения, вызванные расширением нагреваемой среды, что приводит к адиабатическому нагреву в удаленных зонах. Кроме того, среда подвержена заметной плотностной стратификации даже в
Глава

подобия в численном решении соответствовали условиям экспериментов. Разработанная методика позволила получить обширные новые результаты. Обнаружено частичное подобие движения и теплопереноса в стационарных режимах конвекции сильно и слабо сжимаемых сред (когда действие поршневого эффекта сводится к нулю), в частности, в установившейся конвекции Рэлея-Бенара в ^Не при параметрах экспериментов [117, 118] ив совершенном газе. В нестационарных режимах при сравнении динамики двух указанных сред вычленено действие поршневого эффекта в околокритической жидкости и исследовано его влияние на конвекцию.
1.4. Конвективные течения внутри пористых образований
Фильтрационные течения жидкости в твердых пористых образованиях изучались многими авторами (см., например, [131-134]). Задачи фильтрации возникают, в частности, при исследовании геотермальных систем - нагретых, насыщенных водой и паром пористых сред, - которые образуются в зонах вулканической активности [135-138] или при разработке нефтяных месторождений [139]. Возникающие задачи решаются как аналитически, так и численно, в частности, с использованием широко распространенного пакета программ ТОиСН2. В подобных системах, однако, могут происходить фазовые переходы, которые подробно изучены в [138] и в диссертации не рассматриваются. Исследования настоящей работы связаны, главным образом, с тепловой гравитационной конвекцией. В классическом подходе, численное моделирование конвективных течений и теплопереноса внутри пористого скелета осуществляется в рамках модели Буссинеска-Дарси (жидкая фаза считается слабо сжимаемой средой), которая позволила получить многочисленные результаты по фильтрации жидкостей в земных недрах, по технологическим процессам в энергетике, строительной технике и многое другое (см., например, [131-134, 138, 140, 141] и цитируемую литературу).