Моделирование межфазного массопереноса в условиях естественной конвекции

• Автор: Обвинцева, Нина Юрьевна
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 127 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

ГЛАВА 1. Возникновение и развитие неустойчивости в системах с тепломассопереносом (литературный обзор)

1.1. Механизмы возникновения межфазных неустойчивостей

1.1.1. Гравитационная конвекция Релея

1.1.2. Неустойчивость Марангони

1.3. Математические методы исследования межфазных неустойчивостей

1.3.1 Метод линейного анализа

1.3.2 Численные методы исследования конвекции

1.2 Возникновение конвективных течений в газовой фазе при испарении

1.2.1 Стефановский поток
1.2.2 Развитие конвективной неустойчивости
Выводы из обзора литературы и постановка задач исследований
ГЛАВА 2. Постановка начально-краевой задачи и алгоритмы численного решения
2.1 Модельная задача
2.2. Уравнения в безразмерных переменных и безразмерные параметры
2.3. Постановка задачи в переменных “функция тока — вихрь”
2.4. Постановка задачи в переменных скорость-давление
ГЛАВА 3. Математическое моделирование нестационарного процесса испарения однокомпонентных жидкостей
3.1 Конвективная неустойчивость Релея в процессе испарения

3.2 Стадии развития процесса в конвективном режиме
3.3 Влияние развитой конвекции на интенсивность массопереноса
3.4 Критические условия потери устойчивости в нестационарном процессе испарения
3.5 Сравнение численных методов, используемых при расчетах
3.6 Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными
3.7 Моделирование процесса испарения в плоском вертикальном канале
3.8 Моделирование испарения в условиях естественной и вынужденной конвекции
ГЛАВА 4. Моделирование процесса нестационарного испарения двухкомпонентных растворов
4.1 Условия конвективной неустойчивости при испарении бинарных растворов
4.2 Стационарная задача об испарении бинарного раствора
4.3 Изучение режима испарения в зависимости от начальных условий и физикохимических параметров системы
4.4 Сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными данными
Основные результаты и выводы
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ. Методика решений уравнений Навье - Стокса на основе КГД уравнений

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы
Межфазный перенос в системах жидкость-газ играет важную роль в различных природных и технологических процессах. Интенсивность тепломассооотдачи во многом определяется режимом переноса в системе, который может осуществляться в результате молекулярного или конвективного механизма, в турбулентных потоках - за счет хаотического движения вихрей. В связи с этим исследование режима переноса в зависимости от физико-химических параметров является важной задачей при описании конкретных процессов.
Ряд процессов, таких как испарение, экстракция, растворение и др. в отсутствие вынужденной конвекции протекает в молекулярном режиме. Возникновение конвективной неустойчивости в системе приводит к развитию самопроизвольных течений, которые могут образовывать упорядоченные диссипативные структуры. По механизму возникновения разделяют неустойчивости, вызванные капиллярными либо плотностными эффектами, связанными, в свою очередь, с концентрационной или температурной неоднородностью. Переход к режиму развитой конвекции характеризуется интенсификацией межфазного тепломассопереноса. Исследование развития конвекции включает изучение следующих вопросов: определение критических условий потери устойчивости, определение скорости развития конвективной неустойчивости, анализ структуры стационарных конвективных течений и ее влияние на характеристики тепломассопереноса.
Развитие конвективной неустойчивости в основном исследуется в задачах теплопереноса. В задачах массопереноса конвективная неустойчивость исследуется реже, причем такие задачи имеют ряд особенностей: в общем случае необходимо рассматривать двухфазную

Выводы из обзора литературы и постановка задач исследований
На основе анализа литературы по исследованию гравитационной конвекции, возникающей в процессе нестационарного испарения, можно сделать следующие выводы.
1. В литературе имеется большое количество работ, посвященных исследованию тепловой гравитационной конвекции, однако концентрационная конвективная неустойчивость исследуется реже. Для процесса испарения получены экспериментальные данные по скорости испарения ряда чистых жидкостей и бинарных растворов в инертный газ, на основе которых показано, что при определенных условиях происходит переход от диффузионного режима переноса в газовой фазе к конвективному. Эффект исследовался в зависимости от соотношения молекулярных масс жидкости и принимающего газа.
2. К настоящему времени разработаны различные методы численного решения системы уравнений Навье-Стокса, теплопроводности и диффузии, что позволяет моделировать нестационарные процессы тепломассопереноса в условиях развитой конвекции в широком диапазоне физико-химических параметров.
3. Исследование динамики процесса испарения в условиях гравитационной конвекции включает изучение следующих вопросов: определение критических условий потери устойчивости, определение скорости развития конвективной неустойчивости, анализ структуры стационарных конвективных течений и влияние конвекции на характеристики тепломассопереноса. В настоящее время в литературе такие данные для процесса испарения ограничены. Кроме того, не существует единого мнения о механизме переноса пара в газовой фазе после перехода к конвективному режиму.