Введение к работе
Актуальность темы. Жидкости, содержащие пузырьки газа, широко представлены в природе, технике и ряде отраслей современной промышленности (атомная и теплоэнергетика, нефтяная и газовая промышленность, химическая технология, криогенная техника и т.д.). Актуальность исследований волновых процессов в жидкостях с пузырьками газа обусловлена в первую очередь важностью практических приложений результатов исследований, в частности, представляет интерес анализ возможных аварийных ситуаций различных энергоустановок при создании и развитии технологий добычи и транспорта нефти. В теплоэнергетике, например, одной из важнейших проблем является проблема отвода огромного количества тепла с теплоотдающих поверхностей. Обычно теплоносителями являются газожидкостные смеси. Поэтому встает необходимость исследовать волновые процессы в этих смесях, структуру потока и т.п. Проблемы безопасности реакторного узла или устройств аналогичного типа приводят к изучению распространения импульсных возмущений и ударных волн в двухфазных потоках.
Развитие многих отраслей промышленности вызвало широкое внедрение в практику различных реологически-сложных материалов - полимерных растворов и расплавов, суспензий, волокно-образующих веществ и др., характеризующихся разнообразными и весьма существенными отклонениями от классического ньютоновского поведения. Использование таких материалов в условиях, при которых возможно образование газовых включений и двухфазных режимов течения, обусловливает необходимость исследования проблем гидрогазодинамики газожидкостных систем пузырьковой структуры с неньютоновской жидкой фазой. Перечень приложений и практических ситуаций, для которых характерны указанные условия, включает процессы дегазации расплавов и растворов полимеров в производстве пленок, химических волокон и-других полимерных материалов, транспортировку газированных нефтей, гидравлический удар и переходные процессы в нефтепроводах, применение ультразвука в высокотемпературных процессах переработки полимеров, ультразвуковую диагностику пузырьков и др.
Актуальность темы в целом обусловлена необходимостью расширения и углубления знаний о нестационарных волновых процессах в многофазных системах.
Цель работы: ' -изучить особенности распространения слабых возмущений в пузырьковой жидкости в широком диапазоне изменения определяющих параметров;
численно исследовать влияние параметров смеси, таких как плотность несущей фазы и радиус пузырьков, на процесс распространения ударных волн и импульсных возмущений;
построить математическую модель для описания ударно-волновых процесов в пузырьковой жидкости с неньютоновской несущей фазой;
численно исследовать особенности распространения нестационарных ударных волн и импульсных возмущений в полимерных растворах с пузырьками газа.
Научная новизна. Изучено влияние параметров смеси и волн, таких как вязкость и плотность несущей жидкости, радиус пузырьков, на затухание импульсных возмущений. Показана возможность получения высоких давлений в замкнутом объеме пузырьковой смеси непериодическим воздействием небольшой амплитуды. Предложена математическая модель для описания распространения нестационарных ударных волн в неньютоновской жидкости с газовыми пузырьками. Исследованы особенности распространения ударных волн и имульсных возмущений в полимерной пузырьковой жидкости.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием основных положений механики многофазных сред, современного математического аппарата, сопоставлением полученных численных результатов с экспериментальными данными, а также проведением тестовых расчетов.
Практическая ценность. Установленные закономерности распространения нестационарных ударных волн позволяют предсказать их поведение в различных практически важных ситуациях. Знание закономерностей протекания волновых процессов важно при решении вопросов безопасности технологических установок и транспортировки газожидкостных смесей, защиты природных объектов и подводных сооружений от ударно-волновых воздействий, разработки новых технологий в химической промышленности и т.д.
Апробация работы. Результаты, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на семинарах Института механики многофазных систем СО РАН под руководством академика Р.И.Нигматулина и профессора А.А.Губайдуллина (1993-1996 гг.);
-на XIII Международной школе по моделям механики сплошных сред, С.-Петербург, 1995;
на III Минском Международном форуме по тепломассообмену, Минск, 1996;
на Международной конференции "Нефть и Газ Западной Сибири", Тюмень, 1996;
на Международной конференции "Математические модели и численные методы МСС", Новосибирск, 1996;
на семинаре СНГ "Акустика неоднородных сред", Новосибирск, 1996.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 - ти работах, список которых приведен в конце автореферата.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 153 страницы, включая 36 рисунков и список литературы, состоящий из 96 наименований.