Диффузионная устойчивость и концентрационная конвекция в изотермических трехкомпонентных газовых смесях Косов, Владимир Николаевич

Введение к работе

Актуальность темы

В природных и технологических процессах, связанных с различными аспектами современного производства, таких как транспортировка и регазификация природного газа, горение топлива и т.д., приходится иметь дело с неоднородными многокомпонентными смесями при наличии полей массовых сил. Для расчета массообменных процессов в этом случае необходимо знать закономерности концентрационной свободной конвекции. Однако, если конвективная диффузия бинарных смесей при неустойчивой стратификации плотности сравнительно подробно описана в литературе, то массоперенос в подобных условиях для трех и более компонеіггов освещен гораздо слабее. В частности, открытое в конце шестидесятых годов нашего столетия явление аномальной свободной гравитационной конвекции, возникающей в трехкомпонентных смесях при устойчивой стратификации плотности, остается в значительной степени непонятым и по настоящее время.

Цель работы

Настоящее исследование посвящено экспериментальному и теоретическому определению границ аномальной неустойчивости при изотермической диффузии в трехкомпонентных газовых смесях, выяснению механизмов данной неустойчивости и роли влияния коэффициентов взаимной диффузии, массы молекул и термодинамических параметров на скорость конвективного смешеїгая компонентов, выявлению новых эффектов, сопровождающих аномальное смешение.

Научная новизна

1. Проведено комплексное экспериментальное исследование массопереноса вблизи границы перехода «устойчивая диффузия -конвекция» при варьироьашш давления, исходного состава смеси и

расположения компонентов смеси относительно капилляра, геометрических характеристик диффузионного канала и его ориентации относительно плоскости горизонта, вязкости и температуры в двадцати тройных системах. Впервые получены опытные данные по определению границ устойчивости в неоднородном температурном поле и в режиме стационарной диффузии.

1. Результаты измерения скорости смешения компонентов в режиме развитых конвективных течений показали наличие одного и двух экстремумов по интенсивности переноса при варьировании диаметра диффузионного канала, давления и температуры. Впервые зарегистрированы неоднократные экстремумы интенсивности неустойчивого переноса как функции времени смешения.

2. Экспериментально обнаружен и объяснен эффект аномального концентрационного разделения, в котором преимущество проникновения через капилляр имеет тяжелый компонент.

4. Предложена теоретическая модель анализа на устойчивость
' изотермических трехкомпонентныч газовых смесей с учетом нелинейного

распределения концентраций и на ее основе предложены экспериментальные методы определения границ диффузионной устойчивости в пространстве парциальных чисел Рэлея.

5. На основе сравнения опытных и теоретических результатов по
положению границ устойчивой изотермической диффузии выявлены
основные механизмы аномального возникновения конвекции:

а) инверсия градиента плотности в процессе молекулярной диффузии;

б) аначог парадокса устойчивости в неизотермических бинарных смесях.

Выполненная работа является крупным достижением в исследовании диффузии многокомпонентных газовых систем и открывае. новое

направление в этой области науки - экспериментальное и теоретическое изучение изотермического переноса газов в условиях смены режима «молекулярная диффузия - свободная гравитационная конвекция» при устойчивой стратификации плотности смеси.

Практическая ценность работы

Научная и практическая значимость заключается в:

получении экспериментальных результатов об условиях перехода системы из устойчивого состояния в неустойчивое в зависимости от давления, исходного состава газовой смеси, геометрических размеров диффузионного канала, температуры, вязкости;

разработке методов предсказания положения границ аномальной неустойчивости трехкомпонентноЙ газовой диффузии на плоскости парциальных чисел Рэлея;

установлении основных закономерностей массопереноса в трехкомпонентных смесях в условиях изотермической свободной гравитационной конвекции при устойчивой стратификации плотности;

разработке теоретической модели, позволяющей рассчитать градиент плотности газовой смеси в условиях проявления диффузионного «затвора» и предсказать его инверсию.

Часть материалов, вошедших в диссертационное исследование, выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ, который координировался Научным Советом АН СССР по комплексной проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика» (регистрационный номер 01840052774), грантами Фонда Науки Министерства Науки - Академии Наук Республики Казахстан по темам: «Особенности диффузионного массопереноса в многокомпонентных газовых смесях в неоднородном

температурном поле» (регистрационный номер 0196РК00227), «Особенности неустойчивого диффузионного массопереноса в многокомпонентных газовых смесях при давлениях, близких к атмосферному» (регистрационный номер 0197РК01021) и грантом Российского Фонда Фундаментальных Исследований «Аномальная диффузионная неустойчивость изотермических трехкомпонентных газовых смесей (проект 98-01-00879). Автор защищает:

1. Экспериментальные данные по определению границ устойчивости в
зависимости от давления, исходного состава смеси и расположения
компонентов смеси относительно капилляра, геометрических характеристик
диффузионного канала и его ориентации относительно плоскости горизонта,
вязкости и температуры;

2. Экспериментальные результаты измерения скорости смешения
компонентов в режиме развитой конвекции, показавшие наличие

' экстремумов по интенсивности переноса при варьировании геометрических характеристик капилляра, давления и температуры;

3. Экспериментально обнаруженные эффекты аномального
концентрационного разделения компонентов смеси и неоднократного
перехода системы из устойчивого состояния в неустойчивое; ,

4. Теоретическую модель анализа изотермической тройной газовой смеси на устойчивость, а также результаты, определяющие спектр критических параметров;

5. Предложенную трактовку механизмов возникновения и протекания свободной гравитационной конвекции в изотермических газовых смесях при устойчивом распределении плотности;

6. Теоретическую методику анализа на устойчивость систем с диффузионным «затвором», где распределение концентрации компонентов по диффузионному капилляру существенно нелинейно;

7. Представленный мехашим эффекта аномального концентрационного разделения компонентов смеси в режиме развитой конвекции.

Личный вклад автора

Экспериментальные измерения, теоретические исследования, построение моделей возникновения и развития концентрационной конвекции при диффузии, разработка методик математической обработки экспериментальных данных, а также интерпретация полученных результатов выполнены лично автором. Опыты проводились на комплексе установок, разработанных и изготовлешшх под руководством Ю.И. Жаврнна с участием ачтора. Часть экспериментальных исследований, непосредственных расчетов осуществлены с Айткожаевым А.З., Бейлинсо-ном М.М., Беловым СМ., Болотовым И.В., Бычковым А.Г., Жавриным Ю.И., Красиковым С.А., Курмакаевым Ф.З., Лукьяновым А.Т., Мессерле Е.С.. Идея анализа на устойчивость систем с диффузионным «затаором», в которых распределение концентрации компонентов по диффузионному капилляру существенно нелинейно, выдвинута совместно с В.Д. Селезневым.

Постановка задач, выбор путей и методов нх решения, выводы диссертации и положения, выносимые на защиту, принадлежат автору.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались на Международном рабочем семинаре «Негравитационные механизмы конвекции и тепломассообмена»- (Звенигород,.Россия, 1994 г), семинарах физического факультета Алматннсксго Государствешюго Университета,

8-.-

кафедры теплофизики Казахского Государственного Университета, кафедры молекулярной физики Уральского Государственного Технического Университета, а также на следующих конференциях, симпозиумах, школах и совещаниях: Всесоюзной научно-технической конференции «Теплофизические измерения в решении актуальных задач современной науки и техники». Киев, 1985 г.; Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых «Явления переноса в газах и зкидкостях». Алма-Ата, 1985 г.; IY и Y Всесоюзных школах молодых ученых и специалистов «Современные, проблемы теплофизики», Новосибирск 1986, 1988 гт.; YI Всесоюзной школе-семинаре «Современные проблемы газодинамики м тепломассообмена и пути повышения эффективности энергетических установок», Волгоград, 1987; Всесоюзной конференции по.кинетической теории разреженных и плотных газовых смесей, и механике неоднородных сред. Ленинград, 1987 г; X .Всесоюзной конференции по динамике; разреженных газов. Москва, 198? г.; IX Республиканской, межвузовской конференции по математике и механике. Алма-Ата, 1989 г.; Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых «Теплофизика релаксирующих систем» (X Всесоюзная теплофизическая школа). Тамбов, 1990 г.; Международном симпозиуме «Генерация; крупномасштабных структур в сплошных средах». Пермь-Москва, 1990 г.; The_; Jubilee. 10^th International Congress of Chemical Engineering, Chemical Equipment Design and Automation (CHISA'90). Praha, Czechoslovakia, 1990.; Y Всесоюзной конференции по проблемам механики неоднородных сред и турбулентных течений, Одесса, 1990 г.; XI Всесоюзной конференции, по динамике разреженных газов. Ленинград, 1991 г.; Международном симпозиуме по гидромеханике и тепломассообмену в невесомости. Пермь-Москва, 1991 г.; I Международном

Симпозиуме «Физические проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения». Ижевск, 1992 г.; IX Тешюфизической конференции СНГ. Махачкала, 1992 г.; Международной конференции по методам аэрофизнческих исследований. Новосибирск, 1992 г.; Международном совещшпга-семішаре молодых ученых «Теплофизігческие проблемы промышленного производства» Тамбов, 1992 г.; П Совместном по СНГ семинаре Гидродинамическая устойчивость и турбулентность». Алма-Ата, 1992 г.; International Symposium ((Instabilities in multiphase flows», Rouen, France, 1992; II Межреспубликанской конференции «Оптические методы исследования потоков». Новосибирск, 1993 г.; Первой Российской Национальной Конференции по Теплообмепу. Москва, 1994 г; 111 Минском международном форуме по тепло- и мзссообмену. Минск, 1996 г.; 12* International Congress of Chemical and Process Engineering, Praha, Czech Republic, 1996; Joint Xth European and YI Russian Symposium on Physical Sciences in Microgravity. St. Petersburg, 1997.

Публикации

По результатам диссертации опубликовано 70 работ, в том числе:

монография «Аномальная диффузионная неустойчивость многокомпонентных изотермических . газовых смесей». Алмага -Екатеринбург Принт, 1998. -180 с. (в соавторстве);

- учебное пособие «Введение в физику явлений переноса в газах». Алма-Ата: АГУ, 1994. -140 с.

Основные результаты содержатся в работах [1-39].

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов. В конце работы приведен список цитируемой литературы, содержащий 226

наименований, приложения. Общий объем диссертации - 333 страницы, в том числе 78 рисунков, 28 таблиц.