Введение к работе
Актуальность темы. Особенности роста одиночного и системы паровых, газовых и парогазовых пузырьков в перегретой жидкости имеют важное значение в плане понимания основных закономерностей процессов кипения. История исследования процесса роста паровых пузырьков в перегретых жидкостях обширна и в настоящее время не теряет своей актуальности в связи с важностью приложений, связанных, прежде всего с ядерной энергетикой, а также во многих отраслях современной промышленности, таких как теплоэнергетика, химические и криогенные технологии, нефтяное и газовое хозяйства. Совершенствование технологических процессов в перечисленных областях, а также анализ масштабов последствий возможных аварий требует глубокого понимания особенностей вскипания жидкостей.
В связи с этим актуально создание теоретических моделей как основы изучения динамики роста паровых, газовых и парогазовых пузырьков в перегретых жидкостях.
Цель работы. Построение математических моделей, описывающих рост паровых, газовых и парогазовых пузырьков в перегретой жидкости, необходимых для понимания основных закономерностей и механизмов процессов кипения.
Основные задачи работы:
обзор и анализ научной литературы по изучению роста паровых, газовых и парогазовых пузырьков в перегретой жидкости;
построить и развить теоретическую модель исследования процесса роста пузырька в перегретой жидкости;
выявить основные механизмы, влияющие на процесс роста пузырьков на начальной и конечной стадии роста;
построить решения для выхода одиночного и системы пузырьков в перегретой жидкости из неустойчивого в устойчивое состояние;
определить условие устойчивости для одиночного пузырька и паро-жидкостной системы.
Научная новизна:
решена задача о росте парового, газового и парогазового пузырька перегретой жидкости в случае, когда система в исходном состоянии находится в механическом и термодинамическом равновесии;
построены линейные и нелинейные решения, описывающие выход пузырька из неустойчивого состояния;
поставлена и решена задача о вскипании перегретой жидкости с распределенными по объему паровыми зародышами;
получены численные решения, позволяющие определить параметры конечного двухфазного парожидкостного состояния через исходные параметры перегретой жидкости, а также позволяющие получить характерные времена перехода из неустойчивого состояния в устойчивое.
Практическая ценность. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при разработке как теоретических основ, так и практических методов, направленных для понимания основных закономерностей процессов кипения, необходимых для совершенствования технологических процессов, а также управления промышленными установками.
Достоверность результатов диссертации основана на использовании фундаментальных уравнений и методов механики сплошных сред; корректной теоретической постановкой задач, а также получением решений, непро-тиворечащих общим гидродинамическим и термодинамическим представлениям.
Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на следующих конференциях и научных школах:
Мавлютовские чтения: Российская научно-практическая конференция, посвященная 85-летию со дня рождения член-корр. РАН, д.т.н., профессора P.P. Мавлютова (Уфа, 2011);
Наука в школе и вузе: Материалы научной конференции аспирантов и студентов (Бирск, 2011);
Образование, наука, инновация - вклад молодых исследователей: материалы VI (XXXVIII) Международной научно-практической конференции (Кемерово, 2011);
Дифференциальные уравнения и их приложения. Труды Всероссийской научной конференции с международным участием (Стерлитамак, 2011);
Шестая Всероссийская конференция молодых учёных, аспирантов и студентов с международным участием (Санкт-Петербург, 2012);
Наука в школе и вузе: Материалы научной конференции аспирантов и студентов (Бирск, 2012);
Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Прикладная информатика и компьютерное моделирование» (Уфа, 2012);
III Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов «Математическое моделирование развития северных территорий Российской Федерации», (Якутск, 2012);
Международная научно-техническая конференция «Наука и образование» (Мурманск, 2012);
-
Для жидкости с распределенными по объему паровыми зародышами получены численные решения дифференциальных уравнений, которые позволяют определить параметры конечного двухфазного состояния через исходные параметры перегретой жидкости, а также получить характерные времена перехода из неустойчивого состояния в устойчивое.
-
Выявлено, что эффект диффузии является определяющим фактором в развитии неустойчивости газового пузырька. Показано, что парогазовый пузырек может находиться в термодинамическом и механическом равновесии, если масса зародыша меньше критического значения, зависящего от величины перегрева. Если масса газа в зародыше меньше этого значения, то существует два равновесных радиуса. Для большего значения состояние жидкости неустойчивое, а для меньшего - устойчивое.
-
Установлено, что если исходное состояние неустойчивое, то возможны два сценария перехода в устойчивое состояние: согласно первому система переходит в состояние, соответствующее меньшему значению равновесного радиуса для заданной массы зародыша, согласно второму система переходит в парогазожидкостное состояние, при котором происходит объемное закипание, сопровождаемое снижением температуры из-за затрат на дополнительное парообразование.
-
Показано, что в случае водных растворов этиленгликоля значение инкремента не лежит между предельными значениями, рассчитанными для чистых компонент, что связано с кардинальным влиянием диффузии в жидкой фазе на интенсивность фазовых переходов.
Издания, входящие в перечень ВАК
-
Шагапов В.Ш., Коледин В.В. К теории роста паровых пузырьков в мета-стабильной жидкости. // Теплофизика высоких температур. 2013. Том 51, №4.-С. 543-551.
-
Шагапов В.Ш., Коледин В.В. К динамике роста паровых пузырьков в перегретой жидкости. // Прикладная математика и механика. 2013. Том 77, №5. - С. 754-767.
-
Шагапов В.Ш., Коледин В.В., Вахитова Н.К. Об устойчивости перегретой жидкости, содержащей парогазовые зародыши. // Прикладная механика и техническая физика. 2013. Т.54. № 5. - С. 64-80.
В других изданиях
4. Коледин В.В. К линейной теории развития неустойчивости парового пу
зырька. // Мавлютовские чтения: Российская научно-практическая конфе
ренция, посвященная 85-летию со дня рождения член-корр. РАН, д.т.н.,
Рис.7. Зависимость инкремента X от радиуса парового пузырька а0 для водных растворов а) этанола и б) этиленгликоля.
На рис.7 а Сплошная линия соответствует пароводяной смеси \g^l0 = і), штриховая - раствору при [g^l0 =0.5), а штрихпунктирная - этанолу \S(i) /о = 0] Видно, что линия, соответствующая бинарной смеси, лежит между зависимостями для чистых компонент. На рис.7 б сплошная линия соответствует пароводяной смеси [g^ /0 = 1], штриховая - водному раствору этиленгликоля при \g(Ai0 = 0.05J, а штрихпунктирная - чистому этиленгликолю с паром [g^ /0 = 0). В рассчитанном варианте массовая концентрация воды в
растворе 5%, а концентрация водяного пара в паровой фазе достигает 85% (массовая концентрация этиленгликоля в растворе 95%, а концентрация пара достигает 15%). Показано, что интенсивность фазовых переходов лимитируется в основном способностью водной компоненты диффундировать через менее летучий этиленгликоль.
Похожие диссертации на Развитие неустойчивости паровых, газовых и парогазовых пузырьков в перегретой жидкости
