Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследование процессов переноса тепла в жидкостях и газах со сложной колебательной структурой поля скорости представляет важнейшую проблему в связи с научными и технологическими приложениями. Например, одним из важных факторов эффективности химических реакций является скорость их протекания, которая в большинстве случаев зависит от интенсивности обмена между компонентами, в частности, от коэффициентов диффузии и теплопроводности. Скорость процессов переноса вещества, а, значит, и скорость протекания химических реакций можно увеличить при помощи «барботажа» – движения через жидкость пузырьков газа.
Отечественными и зарубежными учеными проводились экспериментальные исследования с целью изучения методов интенсификации процессов переноса в многофазных системах. Г.Г. Вахитовым,
О.Л. Кузнецовым, Э.М. Симкиным экспериментально обнаружено, что при акустическом воздействии на пористые среды, коэффициенты переноса в них увеличиваются. Этот факт имеет огромное значение для нефтедобывающей промышленности, так как при прогреве нефтяного пласта нефтеотдача значительно увеличивается. Е.И. Несисом,
А.Ф. Шаталовым, Н.П. Кармацким также экспериментально обнаружена зависимость коэффициента теплопередачи от амплитуды и частоты вибрации тонкого нагревателя. Аналогичные явления обнаружены и японскими учеными Й. Кикучи, Й. Оно, М. Такахаши при обтекании цилиндра пульсирующим потоком жидкости.
Повышение коэффициента полезного действия широко используемых газовых турбин связано с увеличением температуры газового потока. Для охлаждения лопаток турбин используется поток воздуха, подаваемого через специальные отверстия. Интенсификация теплообмена потока воздуха с поверхностью лопаток достигается за счет увеличения площади теплообмена при помощи дополнительных цилиндрических углублений. При их обтекании в потоке воздуха возникают колебательные движения, которые также приводят к возникновению трансцилляторного переноса, вклад которого до настоящего времени не изучен. Суть этого механизма заключается в увеличении коэффициента теплопроводности (диффузии и т.д.) за счет относительного смещения участков среды, вызываемого акустическими полями.
Таким образом, к настоящему времени накоплено большое количество экспериментальных фактов, свидетельствующих об увеличении коэффициентов переноса при вибрационных воздействиях. Однако теоретически физические закономерности процессов переноса в сложных системах при относительных колебаниях ее компонент не исследованы.
Целью диссертационной работы является развитие теории и экспериментальные исследования основных физических закономерностей процессов переноса, протекающих в жидкости с всплывающими газовыми пузырьками, изучение влияния на эти процессы акустических волн различной частоты.
Основные задачи исследования:
1. Разработка математической модели явления теплопереноса вблизи цепочки газовых пузырьков, всплывающих в жидкости.
2. Теоретическое исследование эффективного коэффициента теплопроводности пузырьковой жидкости.
3. Экспериментальное исследование зависимости эффективного коэффициента теплопроводности от количества всплывающих пузырьков, частоты и других параметров.
4. Изучение вклада различных ячеистых течений в жидкости, индуциированных всплыванием пузырьков, в общем процессе переноса тепла.
Научная новизна. Предложена математическая модель, описывающая вклад колебательных компонент в процессы тепло - и массопереноса в жидкости с газовыми пузырьками.
Разработана теория, объясняющая явление интенсификации процессов тепло- и массопереноса при наличии в жидкости всплывающих газовых пузырьков и акустического воздействия.
Создана модифицированная экспериментальная установка для измерения коэффициента теплопроводности в жидкости с газовыми пузырьками при наличии акустического воздействия.
Определены эффективные параметры ячеек колебаний, вносящих наибольший вклад в процесс переноса.
Достоверность полученных результатов обеспечивается тем, что при выводе уравнений, описывающих трансциляторный перенос, использовались фундаментальные законы сохранения, записанные в виде уравнений неразрывности. Опубликованные ранее в печати результаты хорошо согласуются с описанной в данной работе теорией и могут быть представлены как ее частные случаи.
Практическая ценность работы заключается в том, что результаты исследования позволяют объяснить влияние колебательных компонент поля на процессы переноса в многофазной среде и получить зависимости эффективных коэффициентов теплопроводности, а также диффузии от параметров жидкости и газовых пузырьков. На основе проведенных исследований явлений переноса в жидкости со всплывающими газовыми пузырьками могут быть разработаны промышленные установки с регулируемыми коэффициентами диффузии и теплопроводности, а также определены оптимальные режимы работы этих установок.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Теоретическая модель, объясняющая интенсификацию явлений переноса на основе трансцилляторного механизма.
2. Аналитические решения уравнений, описывающих явление трансцилляторного переноса при всплывании газовых пузырьков в жидкости. Формулы для вычисления эффективных коэффициентов переноса.
3. Способ экспериментального определения эффективных размеров конвективных ячеек, индуцированных движением газовой фазы.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на на следующих научных конференциях: Международных научных конференциях (г. Новосибирск, 2008; г. Херсон, Украина, 2007 – 2009), Всероссийских симпозиумах (г. Сочи – Адлер, 2007 – 2010), Всероссийских научных конференциях (Екатеринбург, 2005; г. Новосибирск, 2006; г. Ростов-на-Дону – Таганрог, 2007; Уфа, 2008; Кемерово, 2009; г. Стерлитамак 2004; г. Бирск, 2007; г. Уфа, 2008; г. Омск, 2010), Российских конференциях (Бирск, 2007 – 2009), Региональных конференциях (Уфа, 2004 – 2008), научных семинарах кафедр математического анализа (научный руководитель – д. ф.- м. н., проф. И.А. Калиев), прикладной математики и механики (научный руководитель –
д. ф.- м. н., проф. И.К. Гималтдинов), теоретической физики и методики обучения физике СГПА им. Зайнаб Биишевой (научный руководитель – д. т. н., проф. А.И. Филиппов).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 научных работах, список которых приведен в конце автореферата.
В работах [1] – [6] постановка задачи принадлежит проф. А.И. Филиппову. В остальном вклад авторов равнозначный. Результаты, выносимые на защиту, принадлежат автору.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 120 страницах и иллюстрирована 110 рисунками.
