Введение к работе
Актуальность проблемы. Двухфазные и двухжидкостные течения в пористых системах и засыпках широко встречаются в современной технике, главным образом при добыче нефти и газа, их переработке, в геотермальной энергетике, энергетике, химической технологии, а также в различных природных процессах. В хаотических и упорядоченных системах каналов различной формы возникает новый, малоизученный класс течений со свободными границами, исследование которого имеет важное значение для создания современных тепломассобменных аппаратов, технологий добычи нефти и газа, использования тепла недр. В связи с этим стоит задача создания и постоянного совершенствования методов расчета таких течений, которые могут служить основой для надежного проектирования соответствующего технологического оборудования и современных технологий.
Из-за сложности возникающих задач их чисто теоретическое решение не представляется возможным. Необходимым является получение экспериментальных данных и создание на их основе теоретических моделей двухфазных течений, тепломассопереноса и волновых процессов. Многообразие геометрических параметров пористых систем и режимов течения двухфазных и двухжидкостных потоков делают невозможным получение общих корреляционных зависимостей для глобальных параметров потока (таких как коэффициенты сопротивления, тепло и массообмена, насыщенности поровых каналов фазами).
Наиболее перспективным является использование в методах расчета данных по микроструктуре двухфазных и двухжидкостных течений в различных пористых системах. Проводимые в настоящее время в лабораториях разных стран теоретические и экспериментальные исследования микроструктуры двухфазных течений, как правило, не связаны с процессами тепло и массопереноса, волновыми процессами и проводятся в ограниченных диапазонах течения.
В связи со сказанным, представляется необходимым проведение широкой программы исследования капиллярных явлений, тепломассопереноса и волновых процессов, направленной на получение экспериментальных данных и развитие теоретических моделей двухфазных течений в пористых системах и засыпках. Проведение такого цикла работ послужит надежной основой для разработки современных методов расчета двухфазных потоков.
Целью работы является получение основных закономерностей капиллярной гидродинамики, тепломассопереноса и волновых процессов при двухфазном и двухжидкостном течениях в хаотических системах поровых каналов и элементах упорядоченных пористых систем -щелевых и прямоугольных каналах с размером меньше капиллярной постоянной, в широком диапазоне режимных параметров течения.
Научная новизна работы заключается в том, что автором впервые:
построена физическая модель двухфазного и двухжидкостного течений в уплотненных монодисперсных пористых средах и засыпках, учитывающая реальную геометрию пор, рассчитаны относительные фазовые проницаемости и кривая капиллярного давления;
разработана прозрачная модель пористой среды с объемными порами и хаотической микроструктурой, развиты методы визуализации течений;
проведен широкий круг экспериментальных и теоретических исследований микро и макроструктуры нестационарного двухфазного и двухжидкостного течений при несмешивающемся вытеснении в больших ансамблях пор;
развита модель неравновесного вытеснения, теоретически и экспериментально изучены его свойства;
проведено исследование неустойчивого течения при несмешивающемся вытеснении, построена карта характерных структур при вязкостном языкообразовании, определены условия стабилизации длины языков капиллярными перетоками в однородных и слоисто-неоднородных пористых средах;
построена и экспериментально обоснована модель образования капиллярно-защемленной фазы и ее мобилизации в потоке, учитывающая структуру порового пространства, определены условия снижения насыщенности капиллярно-защемленной фазы для пористых сред с различной геометрией пор;
развита модель конвективного продольного массопереноса при неполном насыщении, учитывающая геометрию пор, экспериментально исследован нестационарный массоперенос в упаковке шаров и в прозрачной модели пористой среды;
разработана и экспериментально обоснована двухслойная модель теплообмена от стенки в засыпке шаров, учитывающая повышенную пористость и пониженную теплопроводность в пристенном слое, экспериментально определена область интенсификации теплообмена при восходящем газожидкостном течении в трубе с засыпкой;
проведено исследование теплообмена при обтекании тепловыделяющего элемента в засыпке шаров при недогретом кипении, определены коэффициенты теплоотдачи и критические тепловые потоки;
проведено исследование восходящего газожидкостного течения в щелевом канале, определены характерные режимы течения, построена модель движения фаз, измерены и рассчитаны потери на трение;
проведено исследование опускного газожидкостного течения в прямоугольном канале с размером меньше капиллярной постоянной, определены характерные режимы течения, разработана и экспериментально обоснована модель стягивания пленки жидкости в углы канала;
развита нелинейная модель распространения волн давления в пористой среде с капиллярно-защемленной газовой фазой и в уплотненных засыпках частиц, проведено исследование релаксационных эффектов и эффектов дисперсии при распространении волн, механизмов затухания волн в насыщенной пористой среде и в жидкости с пузырьками газа.
Выполненный комплекс научно-исследовательских работ по изучению капиллярных явлений, тепломассопереноса и волновых процессов в пористых системах и засыпках может быть признан в качестве нового направления в области термогидродинамики многофазных систем, имеющего важное народнохозяйственное значение.
Практическая ценность работы. Результаты исследования закономерностей капиллярной гидродинамики, тепломассопереноса и волновых процессов при двухфазном течении в пористых системах и засыпках могут быть использованы при создании и аппробации новых методов расчета двухфазных течений.
Аппробация работы. Результаты работы докладывались на III и IV Всесоюзных симпозиумах по физике акустогидродинамических явлений (Ташкент, 1982; Ашхабад, 1985), Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986); Всесоюзных семинарах "Численные методы решения задач фильтрации многофазной несжимаемой жидкости" (Новосибирск,1986; Якутск,1988); 8 Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах" (Ленинград, 1990); Всесоюзном семинаре "Теплообмен и теплофизические свойства пористых материалов" (Новосибирск,1991); IX, XI Международных симпозиумах по нелинейной акустике (Лидс,1981; Новосибирск, 1987); XIX Двухгодичном симпозиуме по проблемам и методам в механике жидкостей (Варшава,1989); Международной конференции "Разработка газоконденсатных месторождений (Краснодар, 1990); Международном семинаре "Тепло и массообмен в пористой среде" (Дубровник, 1991); Второй Всемирной конференции по экспериментальному теплообмену, механике жидкости и термодинамике (Дубровник, 1991); Международном семинаре "Испарительные системы охлаждения электронного оборудования" (Новосибирск,1992); 1й Европейской конференции по теплообмену (Бирмингем, 1992); Международном семинаре по неустойчивости в двухфазных потоках (Руан,1992);
Международной конференции "Потоки в пористой среде: исследования и инженерные приложения (Москва, 1992); Симпозиуме американского общества инженеров механиков "Многофазные течения в пористой среде" (Новый Орлеан, 1993).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 58 печатных работ.
Объем работы. Диссертация общим объемом 273 стр. состоит из 5 глав, введения и заключения. Рисунков - 138. Список литературы - 242 наименования.