Введение к работе
Актуальность темы
В последние годы возрос научный интерес к проблемам взаимодействия электромагнитных полей с веществом, причем, особый интерес представляет исследование воздействия на различные среды мощных высокочастотных и сверхвысокочастотных электромагнитных полей (ВЧ и СВЧ ЭМП) Этот интерес обусловлен перспективностью применения электромагнитного воздействия в наукоемких отраслях производства в целях интенсификации технологических и физико-химических процессов и управления ими путем непосредственного воздействия на рабочую среду ВЧ и СВЧ технологические процессы получили широкое применение и распространение в различных областях промышленности химической, в машиностроении, пищевой, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной, медицинской и др Примерами таких применений электрических и магнитных полей являются технологии разделения составляющих неоднородной среды, а также разнообразные применения ВЧ и СВЧ ЭМП в технологических процессах нагрева и термообработки, сушки, размораживания и т. д
В отличие от существующих методов воздействия на сплошную среду, ВЧ и СВЧ ЭМ воздействие обладает рядом преимуществ Так, во-первых, электромагнитные волны распространяются до полного затухания на достаточно большие расстояния вглубь объекта воздействия, и речь может идти о различных электрогидродинамических явлениях и управлении ими в глубинах рабочей среды Во-вторых, при воздействии на материальные среды ВЧ и СВЧ ЭМП в среде за счет диссипации энергии электромагнитного поля в тепло возникают распределенные источники тепла Значение плотности тепловых источников определяется видом (геометрией) распространяющейся в среде электромагнитной волны и диэлектрическими свойствами среды Таким образом, при заданной геометрии волн для данной среды, изменяя частоту ВЧ и
4 СВЧ ЭМП, возможно осуществление управляемых процессов взаимодействия ЭМП со средой (например, нагрев на заданную глубину)
Кроме того, известно, что воздействие ВЧ и СВЧ ЭМП, в отличие от квазистационарных ЭМП, обладает характерными особенностями
-
Период изменения ВЧ и СВЧ ЭМП обычно намного меньше характерного времени задачи
-
Частоты ВЧ и СВЧ ЭМП не ограничены условием малости по сравнению с частотами, характерными для установления электрической и магнитной поляризации, то есть, когда имеет место дисперсия диэлектрической и магнитной проницаемостей
3 Из-за дисперсии, электромагнитная часть тензора напряжений является
несимметричной и поэтому необходимо учитывать дополнительную -
вращательную степень свободы. Учет вращательных степеней свободы связан с
радикальным видоизменением и обобщением уравнений гидродинамики, так
как момент импульса единицы объема реальной жидкости не сводится, вообще
говоря, к одному лишь «внешнему» (или, как его часто называют
механическому) моменту импульса, связанному с трансляционным движением,
но и содержит еще и внутренний момент импульса, обусловленный
собственным вращением частиц - носителей скрытого вращения, в качестве
которых могут выступать сами молекулы среды или посторонние включения
Таким образом, воздействие ВЧ и СВЧ ЭМП на сплошные среды качественно отличается от воздействия квазистационарных ЭМП и требует принципиально нового подхода к исследованию данных систем
Вопросы, эффекты и особенности взаимодействия ВЧ и СВЧ ЭМП с различного рода средами составляют новое научное направление -высокочастотную электромагнитную гидродинамику (ВЧ ЭМГД) Ее теоретическая база основана на взаимосвязанной системе уравнений электродинамики, термодинамики и гидродинамики Несмотря на разнообразные применения воздействия ВЧ и СВЧ ЭМП, теория этого вопроса применительно к рабочим средам, которые на практике в большинстве случаев
5 представляют собой многофазную, многокомпонентную среду остается
малоизученной
Целью данной диссертации явилось
Развитие нового направления исследований - высокочастотной электромагнитной гидродинамики (ВЧ ЭМГД) для поляризующихся дисперсных систем с учетом химических реакций, поверхностных явлений и адсорбционных процессов в пористой среде
Задачи исследований
-
Построение теории, анализ и обоснование системы уравнений, описывающих термо- и гидродинамические явления в многокомпонентных поляризующихся системах при воздействии ВЧ ЭМП с учетом химических реакций
-
Использование построенной теории для исследования влияния ВЧ ЭМП на процессы фильтрации многокомпонентных взаиморастворимых углеводородов с учетом адсорбционных процессов
-
Теоретическое исследование влияния электромагнитных полей на поверхностное натяжение полярных жидкостей
-
Изучение влияния ВЧ ЭМП на реологию дисперсных систем (разбавленных суспензий)
Научная новизна
-
Построена феноменологическая теория и получена система уравнений, описывающих термо- и гидродинамические явления в многокомпонентных поляризующихся системах при воздействии ВЧ ЭМП с учетом химических реакций
-
Получен обобщенный закон действующих масс Гульдберга и Вааге на случай воздействия на многокомпонентную среду ВЧ ЭМП и исследовано влияние поля на «константу» химического равновесия и на скорость химических реакций
3 Выводится и анализируется система уравнений, описывающая
фильтрацию многокомпонентной среды при воздействии ВЧ ЭМП с учетом
адсорбционных процессов (в том числе обобщенный закон Генри на случай воздействия на среду ВЧ ЭМП), и рассмотрена задача фильтрации углеводородной смеси в однородном ВЧ ЭМП с учетом конвективно-диффузионных и адсорбционно-десорбционных процессов
4 Обнаружен эффект анизотропии коэффициента поверхностного
натяжения относительно ориентации вектора напряженности электрического
поля к поверхности жидкости
5 Получены выражения для эффективной сдвиговой вязкости суспензий
для случая малых и произвольных ВЧ ЭМП
Практическая ценность работы
Термогидродинамические и физико-химические эффекты, исследованные в работе, могут быть использованы в целях управления различными технологическими процессами с применением энергии ВЧ и СВЧ ЭМП Полученные результаты позволяют учитывать особенности взаимодействия «поле-вещество», в частности, в нефтехимической промышленности, в процессах добычи и переработки углеводородного сырья
В работе защищаются следующие положения
1 Система уравнений, описывающая термо- и гидродинамические эффекты в многокомпонентных системах с химическими реакциями при воздействии на них ВЧ ЭМП
2. Эффекты влияния ВЧ ЭМП на прямые процессы диффузии, теплопроводности и перекрестные эффекты Соре, Дюфура, а также влияние ВЧ ЭМП на «константу» химического равновесия (выражение для обобщенного закона действующих масс Гульдберга и Вааге для случая воздействия ВЧ ЭМП на многокомпонентную среду) и на скорость химических реакций
-
Система уравнений, описывающая фильтрацию многокомпонентной среды при воздействии ВЧ ЭМП с учетом адсорбционных процессов
-
Эффекты влияние ВЧ ЭМП на адсорбционные процессы при фильтрации многокомпонентных сред в пористой среде
-
Явление анизотропии коэффициента поверхностного натяжения полярной жидкости относительно ориентации вектора напряженности электрического поля к поверхности жидкости
-
Эффекты влияния ВЧ ЭМП на эффективную вязкость разбавленной суспензии
Апробация работы Результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной конференции «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкости» (Петродворец, 1998), Региональной конференции «Резонансные и нелинейные явления в конденсированных средах» (Уфа, 1999), XXIV Школе семинаре по проблемам механики сплошных сред в системах добычи, транспорта и переработки нефти и газа (Уфа, 2001), VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001), XXV Школе семинаре по проблемам механики сплошных сред в системах добычи, транспорта и переработки нефти и газа (Уфа, 2001), на семинаре в институте механики МГУ под руководством д ф -м н , проф В В Гогосова, 2001), XXVI Школе семинаре по проблемам механики сплошных сред в системах добычи, транспорта и переработки нефти и газа (г Уфа, 2002), 13-ой Зимней школе семинаре по механике сплошных сред (Пермь, 2003), Международной конференции в Испании с докладом «Impact of a high-frequency electromagnetic field upon multicomponent systems chemical reaction» (First International Meeting on Applied Physics - October, 2003, Badajoz, Spam), Международной конференции в Словакии с докладом «Thermodynarmcal Basis of a Radio - Frequency Electromagnetic Field Impact on Multicomponent Petroleum Fluids» (17-th European Conference on Thermophysical Properties - September, 2005, Bratislava), 14-ой Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2005), Международной Уфимской зимней школе-конференции по математике и физике для студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2005), Всероссийской конференции «Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности» (Москва, 2007), Российской конференции «Механика и химическая физика сплошных сред» (Бирск, 2007)
Публикации По материалам диссертации автором опубликовано 32 печатные работы, в том числе 1 монография и 7 статей в центральных изданиях, рекомендованные ВАК РФ
Объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы Работа изложена на 208 страницах машинописного текста, включая 17 рисунков, библиография из 170 наименований
