Введение к работе
Актуальность исследования. На сегодняшний день в различных отраслях промышленности (атомной, химической и др.) большое внимание уделяется вопросам изучения процессов фазовых переходов, лежащих в основе работы многих технологических объектов и энергетических установок с различными химически активными и взрывоопасными соединениями. Фазовые переходы жидких или газообразных сред (например, образование льда в условиях холодного климата или парообразование при тепловом воздействии), находящихся в замкнутом объеме, могут привести к деформации, образованию трещин и аварийной разгерметизации конструкции вследствие сильного изменения давления. Исследование закономерностей процессов тепло- и мас-сопереноса, сопровождаемых фазовыми переходами, представляет собой сложную научную проблему, связанную с трудностями экспериментального исследования межфазных взаимодействий. Возникшее противоречие между недостаточной разработанностью технической реализации экспериментальных и опытных установок и одновременно возросшим интересом к этим процессам подталкивает к построению теоретических моделей изменения давления жидкостей и газов в замкнутых объемах вследствие фазовых переходов.
Решение задач диссертационного исследования, связанных с теоретическим описанием процессов фазовых переходов, подбором аналитических и численных методов для их решения, анализом полученных результатов и созданием экспертной системы прогнозирования аварийных ситуаций работы энергетического оборудования, позволяющей оценить последствия аварии и возможности ее предотвращения, определяет актуальность представленной работы.
Целью диссертационной работы является теоретическое исследование изменения давления жидких и газообразных сред в замкнутых объемах различной геометрической формы и анализ закономерностей процессов теплообмена при фазовых переходах.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
1. Выполнено теоретическое описание роста толщины слоя льда и пара
при контакте жидкости с твердыми и газообразными средами в автомодель
ной постановке с их количественной оценкой при заданных граничных и на
чальных условиях.
2. Изучено влияние основных параметров (температуры, давления,
геометрической формы емкости) на изменение давления жидкости, находя
щейся в замкнутом объеме при тепловом воздействии через стенки.
3. Построена и исследована математическая модель снижения давления
пара в замкнутом объеме вследствие конденсации на границе контакта с хо
лодной жидкостью или твердым телом на горизонтальной поверхности и при
инжекции капель.
Методы исследования. Для получения научных результатов в диссертационной работе были использованы методы и подходы, применяемые в области механики многофазных сред. Моделирование и исследование свойств выполнялось с помощью прикладного программного пакета MathCad.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Результаты теоретического исследования роста толщины слоя льда и пара при контакте жидкости с твердыми и газообразными средами в автомодельной постановке с их количественной оценкой при заданных граничных и начальных условиях.
-
Математическая модель повышения давления жидкости в замкнутых объемах трех различных форм (между плоскопараллельными стенками, в цилиндре и шаре) при тепловом воздействии через стенки.
-
Результаты исследования математической модели снижения давления пара, находящегося в замкнутом объеме, вследствие конденсации на границе контакта с холодной жидкостью и твердым телом.
Научная новизна исследований, проведенных в работе, заключается в следующем:
-
Поставлены и решены задачи перехода жидкости в твердое и газообразное состояние при ее контакте со средами, определяемыми различными теплофизическими свойствами (теплопроводностью, теплоемкостью, плотностью) и температурой.
-
Представлено теоретическое описание влияния начальных параметров (давления, температуры) и геометрической формы емкости, термического расширения и фазовых переходов жидкости на изменение давления в замкнутом объеме при тепловом воздействии через стенки (нагревание и охлаждение).
-
Приведены различные способы снижения давления пара вследствие конденсации на границе контакта с холодной жидкостью и твердым телом, в ходе которых установлено, что наиболее эффективным способом является инжекция капель жидкости в пар.
Обоснованность и достоверность результатов работы следует из корректности физической и математической постановок задач, применения при разработке математических моделей фундаментальных уравнений механики многофазных сред, а также получения решений, не противоречащих общим термодинамическим представлениям и в некоторых частных случаях согласующихся с результатами других исследователей. Компьютерная реализация построенных математических моделей производилась с использованием широко апробированных программных пакетов и численных методов.
Практическая значимость. Полученные результаты позволяют разработать рекомендации по усовершенствованию и повышению надежности различных промышленных, транспортных и прочих объектов, могут исполь-
зоваться при проектировании и оценке прочности различных технических систем, работающих в переменных температурных условиях, а также для устранения последствий аварий энергетического оборудования и принятия мер их защиты.
Апробация работы. Основные вопросы диссертации докладывались и обсуждались на Российской научно-технической конференции «Мавлютов-ские чтения» (Уфа, 2011), Всероссийской научной конференции с международным участием «Дифференциальные уравнения и их приложения» (Стер-литамак, 2011), Республиканской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Наука в школе и вузе» (Бирск, 2011, 2012), VI Уфимской международной конференции «Комплексный анализ и дифференциальные уравнения» (Уфа, 2011), Всероссийской научно-практической конференции «Чудиновские чтения» (Бирск, 2011), Всероссийской научно-практической конференции «Прикладная информатика и компьютерное моделирование» (Уфа, 2012), Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-18» (Красноярск, 2012), VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев 2012» (Санкт-Петербург, 2012), Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики» (Томск, 2012), Российской конференции с международным участием «Многофазные системы: теория и приложения» (Уфа, 2012), Всероссийской школе-конференции молодых ученых «XXX Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск, 2012), Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование развития северных территорий Российской Федерации» (Якутск, 2012), VI Всероссийской конференции «Актуальные проблемы прикладной математики и механики» (Абрау-Дюрсо, 2012), Всероссийской молодежной научной школе в рамках фестиваля науки «Актуальные проблемы физики» (Ростов-на-Дону, 2012), 8-й Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов, студентов и молодых ученых (с международным участием) «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2013) и на семинарах Проблемной лаборатории математического моделирования и механики сплошных сред под руководством профессора СМ. Усманова и академика АН РБ В.Ш. Шагапова.
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации изложены в 20 статьях, опубликованных в журналах и научных сборниках, из них 3 в издании из списка, рекомендованного ВАК.
Благодарность. Автор выражает благодарность научному руководителю д.ф.-м.н., профессору Владиславу Шайхулагзамовичу Шагапову за ценные советы и постоянное внимание к работе.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и списка литерату-
ры. Общий объем диссертационной работы составляет 104 листа. Работа содержит 29 иллюстраций. Список литературы содержит 144 наименования.
