Математическое моделирование и экспериментальное исследование гидродинамической структуры внутри зернистого слоя

• Автор: Анисимов, Константин Геннадьевич
• Шифр специальности: 05.13.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 108 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Теоретические и экспериментальные исследования но гидродинамике и процессам переноса в зернистых средах
1.1. Некоторые модели процессов переноса в зернистых средах
1.2. Исследование гидродинамики в зернистых средах
1.3. Постановка задачи
2. Модельные исследования фильтрационного течения жидкости
2.1. Модель Бринкмана с учетом неравномерной пористости
2.2. Исследование распределения давления по сечению упакованного слоя
2.3. Гидродинамическая модель течения
2.4. Исследование распределения давления по длине упакованного слоя
3. Математическая модель процессов переноса в зернистых средах
3.1. Расчет модели переноса через два вихря
3.2. Сравнение теоретических и экспериментальных исследований
4. Экспериментальная установка и методика измерения
4.1. Измерение давления вдоль зернистого слоя
4.2. Измерение давления в поперечном сечении зернистого
слоя
Заключение
Литература

Введение
Детальное знание картины течения в упакованных зернистых слоях существенно во многих областях химического и нефтегазового проектирования. Упакованные слои имеют важное применение в каталитических и ядерных реакторах, в многочисленном оборудовании для тепломассопередачи (колонки абсорбции, теплообменники, высокоэффективные теплоизоляторы и т.п.). Если теоретически представляется, что зернистый слой оказывает выравнивающее действие на поток, то в действительности осуществление равномерного потокораспределения в упакованном слое является сложной проблемой. Неравномерности потока, генерируемые неподвижным зернистым слоем, связаны с разнообразными факторами: неравномерностью укладки зерен, пристенными эффектами, напряженным состоянием слоя, наличием постоянных контактов между частицами, приводящими к образованию непроточных зон и к спеканию зерен в случае высокотемпературных или других активных процессов. В результате влияния этих факторов снижается интенсивность процессов переноса и возникает их существенная неравномерность, которая может привести к локальному перегреву аппарата и выходу его из строя, кроме того, появляются трудности с перезагрузкой и обновлением зернистого слоя. Поэтому изучение гидродинамики зернистого слоя имеет большую практическую ценность.
Исследование основных закономерностей процессов фильтрации и переноса в зернистых средах относится к числу сложных

проблем механики. Даже при необходимом количестве принятых допущений большинство полученных в конечной форме теоретических решений для простой геометрии имеют область применения в диапазоне скоростей фильтрации, как правило, соответствующем линейному закону сопротивления Дарси, и постоянным значениям эффективных коэффициентов переноса. Основная сложность теоретического рассмотрения движения жидкости в зернистых слоях заключается в совмещении картины дискретного описания с непрерывным описанием сплошных сред с помощью уравнений Навье-Стокса. Из экспериментальных работ по гидродинамике и переносу в зернистых средах можно заметить, что локальная структура потока в засыпках недостаточно ясна, а результаты некоторых работ противоречат друг другу. Измерению давления в упаковках посвящено обширное количество работ, что обусловлено, прежде всего, требованиями производства различной химической продукции, получаемой в результате прогонки жидкости или газа через плотине слои упаковок. Величину перепада давления и соответствующего гидравлического сопротивления необходимо закладывать в расчет проектируемых реакторов. Знание локального распределения давления и особенностей течения внутри зернистого слоя позволяет прогнозировать соответствующие процессы переноса тепла и массы между элементами упаковки и стенкой аппарата и подводит физическую базу под различные модели фильтрации. В большинстве известных экспериментальных работах определялся полный перепад давления на упаковках без выявления детальной структуры распределения давления по длине и сечению засыпки.

Эти интегралы в общем виде не берутся, но приводятся к более простым:
U = G—— cos (р
F 1 + F
- +
+ С,Ф, +С2Ф2
cosp 2 I 1 cos ср 1 cos <р
ч (2.1.20) Заметим, что изменение косинуса много медленнее, чем экспоненты, поэтому без существенной ошибки вынесем его из под знака интеграла и проинтегрируем оставшееся выражение. В результате получим:
+ при h cosp cos (р COS (р
Из условия прилипания жидкости на стенке при д> = 5 сократим
количество неизвестных констант:
С./к -! С. (2.1.22)
Здесь и в дальнейшем С2 ~ С, / = 1.44 10 ~6.
Уравнение (2.1.1) для центральной зоны хаотичной укладки запишется следующим образом:
ди__ьи__ 1 дР (2.1.23)
дх2 .41 р дх ’
где£ = 364.5.
Решение уравнения (2.1.23) при условии:
ди О А
— = 0 при х = 0 запишется как

и = Мск{МхЫ')-Ок, при й > /г0, (2.1.24)
гдеIV = 19.1, £) = 2.7-1(Г3.