Введение к работе
Актуальность темы. Развитие исследовании по научению закономерностей течения гетерогенных сред связано с широким применением слоевых агрегатов но многих отраслях промышленности, использующих в качестве диспергированной фазы пылевидные и зернистые частицы. Это аппараты с псевдоожпженным, фонтанирующим, вибрирующим слоями, пихрепыми потоками фаз, т.е. установки, аналогичные реакторам химической, аппаратам металлургической, угольной и горнодобывающей промышленности. '
D настоящее время имеется оначительное количество работ, посвя
щенных моделированию и якперпментальцым исследованиям течений дис
персных систем, поучению распределения потоков фаз в слоевых уста
новках. ,
Однако, несмотря на обширный теоретический п экспериментальный материал п достигнутые успехи, ряд основных проблем все еще остается нерешенным. В частности, достаточно сложными являются вопросы, связанные с построением замкнутых уравнений переноса, традиционными способами разрешения которых, например, можно считать привлечение различных вариантов полуампирнчеекпх уравнений, содержащих неизвестные функции и параметры. Основные трудности при формулировке уравнений сохранения, а также замыкающих их реологических соотношений, свяоаны с раовптнем в таких системах весьма интенсивного пульсационного движения. Этот вывод делался неоднократно уже давно, начиная с (R. Jackson, 1963), и от механизма обмена импульсом п энергией между пульсирующими частицами обычно обосновывают принцип построения указанных уравнений переноса - приводит ли он к развитию существенной анизотропии пульсаций, как это обычно имеет место для мелких частиц в жидкостях, или же способствует установлению изотропного пульсационного движения, которое прогнозируется уже в раореженных газовзвесях частиц с малым числом Рейяольдса, если соответствующее число Стокса St>l (СТ. Crow, 1981; L. Koch,' 1990; R. Ishii, Y. Umeda, M. Yuhi, 1989). Для рассматриваемых в диссертации столкновительных дисперсий второй сценарий, соответствующий установлению распределения пульсаций, близкому к распределению Максвелла, представляется более вероятным, и в этом случае описание движения дисперсной среды не менее естественно проводить в тесной аналогии с решением аналогичной проблемы для плотных газов. Однако, окончательные выводы об этом п о характеристиках хаотических пульсаций можно сделать только на основе развернутого аналпоа
1 нуяьсационного движения фаз, в проведении которого состоит основное
общенаучное значение данного исследования,
Необходимость исследования локальных флуктуации параметров течения быпа осознана уже давно. Однако, практическое воплощение этой декларации было далеко неоднозначным, хотя идеи пульсационного движения фао полнились почти одновременно в разных интерпретациях, и во всех случаях они были вызваны одним и тем же стремлением -конструктивно решить проблему формулировки замкнутых уравнений сохранения.
Механиом генерации пульсаций, заключающийся в том, что пульсации частиц возникают в реоультате действий на них сил Магнуса (М.А. Гопьдштик, Б.Н. Козлов, 1973, 1977), очевидно, приемлем прежде вето в ситуациях, когда частицы вращаются с достаточно большими случайными угловыми скоростями.
Более общим и естественным представляется подход, предложенный Ю.А. Буевичем (1968, 1969, 1971, 1993, 1994). В связи с нелинейностью силы гидродинамического взаимодействия частиц и несущей среды по локальной концентрации, баланс сил, действующих на некую частицу, случайным образом нарушается, в результате чего эта частица вовлекается в пульсационное движение. В дальнейшем эта модель применена для анализа статистических свойств пульсаций в ряде работ (Yu.A. Виуе-vich, 197D, 1971; Ю.А. Буевич, А.Г. Рубцов, 1992). Однако, при этом возникает серьезное затруднение, связанное с учетом влияния столкновений между частицами на свойства пульсаций.
Цель работы - исследование гидродинамики дисперсных систем при наличии в них межчастичных столкновений, включающее обсуждение ц изучение пределов применимости предлагаемых методов для получения замкнутых уравнений переноса диспергированной фазы; исследование характеристик пульсаций фаз, возможного пх развития и обобщения на полидисперсные системы, а также демонстрация конкретных примеров применения теории, обеспечивающей представление об устойчивости концентрированных дисперсных систем, физических механизмов взвешивания и деформирования плотного слоя частиц в сдвиговых потоках.
Научная новизна заключается в решении и систематическом исследовании ряда важных теоретических проблем в гидродинамике дисперсных систем при наличии в них столкновений частиц.
В работе получены следующие новые результаты:
- определены основные величины, зависящие от статистических ха-
рактгристнк пульсаций фаг», аффективные напряжения и поток пульса-ционной энергии в виде функций от средних переменных дисперсного потока и физических параметров, что эквивалентно выводу реологических уравнений состояния дисперсной среды;
изучены характеристики пульсационного движения в макроскопически однородных состояниях взвеси крупных сферических частіш в жидкости; покапано, что при некоторых концентрациях происходит нарушение принципа равнораспределения удвоенной средней энергии пульсаций но поступательным степеням спободы;
проведено, теоретическое исследование влияния столкновителыюн диссипации на внутренние пульсации п дисперсных потоках; установлено, что наличие существенной диссипации приводит к потере тер модинампческой устойчивости системы;
получены представления для дисперсии случайного поля обьемной концентрации полидпсперсной системы; сформулирован вывод о незначительном отличии дисперсии итого поля монодисперсной системы от соответствующей величины полидпсперсной среды, что делает возможным ее использование, в качестве удовлетворительного приближения, для описания статистических характеристик пульсаций полндпсперсных потоков;
разработана математическая модель полидисперсных потоков; получены представления для эффективной энергии пульсацпп частиц и создаваемых ими парциальных давлений в бинарном псевдоожпжешгом слое; исследованы стационарные распределения частиц разных сортов материала по высоте слоя;
сформулированы критерии неустойчивости концентрированных мелко- н грубодпсперсных вертикальных потоков; найдены условия нейтральной устойчивости и свойства волн макспмальпого роста, а также дано естественное обьясненпе стабилизирующей роли броуновского движения частиц, существенного при переходе от суспензии к коллопдам, и причин возникновения известного масштабного фактора при увеличении линейного масштаба потока.
исследованы процессы деформирования плотного слоя зернистого материала в широком диапазоне изменения величины скорости сдвига.
Достоверность. В частных ситуациях установленные в работе общие положення и соотношения согласуются с известными ранее. Полученные выводы и закономерности соответствуют данным лабораторных и промышленных испытаний.
Практическая ценность. Методы, предложенные в работе, могут
ti служить теоретической основой дня расчета различных технологических режимов слоевых установок.
Развитые в работе представления о происхождении масштабного аффекта имеют исключительно большое значение для моделировании реальных промышленных агрегатов, использующих и качестве рабочих дисперсные среды.
По результатам исследований получено пять авторских свидетельств на изобретения и один патент, а также выполнено техническое задание на разработку технологии тшевмосепарации шихтовых материалов но крупности на основе, их псевдоожижении для удалении мелкой фракции коксовой мелочи на стадии ее подготовки к агломерации на Западносибирском металлургическом комбинате.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Международных конгрессах CHISA' 90, CH1SA' 93 (Прага, ЧСФР, 1990,- 1993), Национальной научно- технической конференции "Новые и усовершенствованные технологии для окускованна сырья и производства чугуна и ферросплавов" (Варна, Болгария, 1990), на 2-м Европейском симпозиуме по напряженному поведению порошковых материалов (Прага, 1990), Всесоюзной научно - технической конференции "Средства н системы-автоматического контроля и управления технологическими процессами газопылеочцстки в цветной металлургии" (Свердловск, 1991), 2 Национальной научной и технической конференции с международным участием по теории и практике псевдоожиженных систем (Пловдив, Болгария, 1992), Международной конференции по модернизации металлургической индустрии и новейшим процессам сталеплавильной продукции.Metallurrgy'92 (Краков, Польша, 1992), на школе- семинаре по современным проблемам математической физики и механики (Воронеж, 1993), на 1-м Международном симпозиуме по двухфазным течениям типа-"жидкость-твердые частицы" (Невада, США, 1994), на Межгосударственной научно- технической конференции "Состояние и перспективы развития научно- технического потенциала Южно- уральского региона" (Магнитогорск, 1994), на 1-м Международном форуме по порошковой технологии (Колорадо, США, 1994), на Международном симпозиуме "Проблемы комплексного использования руд" (С- Петербург, 1994), на 1-ой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994), на семинарах отдела прикладной математики и теоретической физики Кэмбриджского университета (Кэмбридж, Великобритания), университетов им.П. и М.Кюри (Париж, Франция), в Стенфорде, в Принстоне, в Хьюстоне (США), кафедры математической
7 фпоикп УрГУ (Екатеринбург), кафедры механики сплошных сред БашГУ
(Уфа).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 52 работы.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и перечня цитируемой литературы. Работа содержит 351 страницу, включая 98 рисунков и 218-библиографичесхих ссылок.
Все теоретические результаты, на основе которых написана диссер
тация, получены на кафедре математической физики УрГУ им. A.M.
Горького в течении 80 - 90 гг. Изучением этой проблемы автор зани
мался совместно с профессором Ю.А. Буевичем, формируясь Под вли
янием его научных взглядов и мировозрения. Экспериментальные ре
зультаты получены в лаборатории гаоомеханики дисперсных сред ХМИ
КПМС РК, главным образом, с помощью профессора Е.В. Максимова,
совместная работа с которым определила круг практических интересов
автора.