Коллективные эффекты в многофазных средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

министерство науки, высшей школы и технической политики российской федерации

нижегородский научно-исследовательский радиофизический институт (нирфи)

на правах рукописи

К0ТЮС03 Александр Николаевич

коллективные эффекты в многофазных средах

( 01 .04.03 - радиофизика )

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 1992

Работа выполнена в Нижегородском ордена Трудового Краског Знамени научно-исследовательском радиофизическом институте

Научный руководитель

кандидат физико-математических нау Немцов Б.Е.

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук ведущий научный сотрудник Фридман В.Е.

доктор физико-математических наук ведущий научный сотрудник Сутин А.М.

Ведущее предприятие Институт физики атмосферы РАН

Защита диссертации состоится .¿у» 1992 г

в /6 час. на заседании специализированного совета Д 064.05.01 по радиофизике при научно-исследовательском радиофизическс институте ( 603600 г. Нижний Новгород, ул. Большая Печерская 25/14, НИРФИ )

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке НИР®. Автореферат разослан

смуРелА^11992 г. .

Ученый секретарь специализированного совета, канд. физ.- мат. наук Нь

Виняйкин Е.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В настоящее время круг вопросов, свя-5ашшх с исследованиями в области механики гетерогенных сред, зесьма широк. Это обусловлено большим количеством прикладных 5адач радиофизики, физики атмосферы, гадродинажпси и т.д. Интерес к проблемам такого рода вызван в свою очередь развитием щерной и обычной теплоэнергетики, ракетной и авиационной тех-шки, химической, нефтегазодобывающей, металлургической, строительной промышленности, методов получения новых веществ и т.д.

Одной из проблем физики многофазных сред является проблема >саждения различного рода искусственных аэрозолей (пылей, догов), возникающих в ряде производственных процессов, что обусловлено преяде всего необходимостью очистки запыленных газов. 5ольпгой интерес вызывают также вопросы рассеяния туманов и ге-герации осадков в облаках. Для решения этих проблем применяются зазличные радиофизические методы воздействия на среды: воздействия звуковым, электромагнитным излучением и.пр.

Другая- проблема связана с исследованием механизма звуковой дегазации жидкостей. Этот эффект находит применение в промышленной практике при необходимости удаления газа, как растворен-юго, так и находящегося в виде пузырьков из расплавов металлов I стекла, растворов смол, вискозы, масел и т.д.

Весьма важным представляется изучение явлений, происходя-

3

щих в дарожидкостных аэрозолях, например, облаках и туманах где имеют место процессы испарения и конденсации. Необходнмост: этих исследований связана в первую очередь с задачей диагностики атмосферы и мониторинга облачных образований.

Несмотря на многолетние исследования в тих проблем, актуальность их не уменьшается. Изучение процессов, происходящих : многофазных средах, показало возможность объяснения многих ра нее известных явлений на основе нового подхода, базирующегос. на рассмотрения коллективного взаимодействия частиц аэрозолей что ранее не принималось во внимание. Исследованию этих вопро сов и посвящена диссертация.

Цель работы. Целью диссертационной работы является иссле дование:

- коллективных механизмов коагуляции частиц в аэрозольны потоках и коалесценции пузырьков, движущихся в вязкой жидкости

- воздействия звукового излучения на процессы коагуляци частиц аэрозолей и суспензий и коалесценции пузырьков газа жидкости,

- влияния электростатических параметров аэрозоля на про цессы потоковой и акустической коагуляции частиц,

- механизма генерации звуковых волн е пересыщенном паре возможности его экспериментальной проверки.

Научная новизна диссертационной работы состоит в примене нии нового подхода к исследованию процессов, происходящих многофазных средах (аэрозолях, суспензиях, жидкостях с пузырь ками газа). Он основан на рассмотрении коллективных механизме взаимодействия частиц гетерогенных сред. 4

На основе этого подхода решена задача о поведении твердых 1астиц, находящихся в потоке вязкого газа. Показано, что в сре-Хе возбуждается неустойчивость, приводящая к сближении частиц и IX дальнейшей коагуляции. Новым здесь является то, что эффект )бусловлен не парным взаимодействием частиц, как это было при-1Ято считать ранее, а взаимодействием всего ансамбля частиц.

Учитывая, что обнаруженная неустойчивость носит универ-;альшй характер и может возникать при любом плавном движении в двухфазной среде, аналогичные исследования проведены при изуче-ши движения пузырьков газа в вязкой гсидкости. Оказалось, что и $ этом случае возбуждается неустойчивость, приводящая к коалес-1енции пузырьков. При этом удалось показать, что большую роль 1грает существование собственных колебаний пузырьков.

Исследование коллективных механизмов взаимодействия частиц з многофазных средах продемонстрировало возможность объяснения га этой основе процессов акустической коагуляции частиц аэрозо-тей и суспензий, а также акустической коалесценции пузырьков ■•аза в жидкости. При этом впервые удалось объяснить существова-ше оптимальных частот коагуляции и коалесценции, зависимость времени коагуляции от частоты звука, мощности, параметров среды I пр. Кроме того, в отличие от известных ранее работ, удалось гровести исследования для любых звуковых частот и при учете зсех сил, действующих на частицу.

Выявлена зависимость процессов коагуляции от собственных зарядов частиц,' от существования внешних электрических полей. Токазана возможность коагуляции частиц аэрозоля в переменном электрическом поле. При этом рассмотрение также базируется на тривлечении коллективного механизма взаимодействия частиц.

Исследован новый эффект генерации звука при конденсации

5

пара. Продемонстрирована возможность возбуждения звуковых колебаний в резонаторе Гельмгольца, заполненном пересыщенным паром. Получено нелинейное уравнение, описывающее колебания в системе и учитывающее процессы конденсации и теплопередачи. Найдено приближенное решение, показывающее, что в резонаторе формируются стационарные колебания с амплитудой и частотой, зависящими от параметров резонатора и заполняющей его среды. Обсуждаются возможности экспериментальной проверки изучаемого эффекта, приводятся оценки уровня давления е генерируемой волне.

Основные научные положения, выносимые на зацнту:

1. Коллективный механизм коагуляции твердых частиц, движущихся в вязком газе (кидкости) под действием силы тяжести или ъ поле звуковой волны.

2. Коллективный механизм коалесценции пузырьков газа, всплывающих в вязкой жидкости или находящихся под действие», звукового поля при учете собственных колебаний пузырьков.

3. Коллективный механизм коагуляции твердых частиц, дежку -щихся под действием силы тяжести во внешнем электрическом поле.

4. Коллективный механизм коагуляции заряженных или поляризованных частиц аэрозоля под действием акустического или переменного электрического полей.

5. Коллективный механизм генерации звуковых колебаний I резонаторе Гельмгольца, заполненном пересыщенным паром.

Практическая ценность. Полученные в работе результат! могут быть использованы:

- при исследовании воздействия звука на облака и туманы < целью их просветления и вызывания осадков, 6

- при исследования акустической очистки запиленных газов и ¡агрязненных жидкостей,

- при изучении воздействия звука на пузырьковые среды 'жидкости с пузырьками газа) с целью их дегазации,

- при исследовании влияния собственных зарядов частиц и аешних электрических полей на потоковую и акустическую коагу-

!яция,

- при создании низкочастотных акустических генераторов.

- при диагностике облачных образований.

Личный вклад автора в проведенные исследования. Вклад автора диссертации в работы, выполненные в соавторстве, заклю-[ается в следующем. На основе поставленных научным руководите-юм задач диссертант провел аналитические расчеты и анализ об-¡аруженной неустойчивости движения твердых частиц в газе и пу-¡ырьков в жидкости; исследовал частотную зависимость инкремента [еустойчивости движения твердых частиц аэрозоля, находящегося в ¡вуковом поле; предложил механизм исследования генерации акустических волн в пересыщенном паре в лабораторных условиях и гровел соответствующие расчеты.

Апробация результатов. Основные результаты диссертацион-юй работы докладывались на международном симпозиуме "Неустой-швости и волновые явления в системе ионосфера - термосфера" (Калуга, 1989 г.), 3-ем семинаре "Некоторые вопросы динамики атмосферы и атмосферного электричества" (Васильсурск, Горьков-:кая область, 1990 г.), 7-м всесоюзном съезде по теоретической I прикладной механике (Москва, 1991 г.), всесоюзной конференции го активным воздействиям на гидрометеорологические процессы

7

(КБССР, Нальчик, 1991 г.), семинарах НИРФИ.

Структура ж объем работа. Диссертация состоит из Введения, четырех разделов и Заключения. Она содержит 112 страниц машинописного текста, в том числе 8 страниц списка литературы (92 наименования), а также 6 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении проанализировано современное состояние изучаемой проблемы, обоснована актуальность темы и приведена аннотация содержания диссертации.

Первый раздел посвящен исследованиям процессов, происходящих в аэрозолях и суспензиях, т.е. газах и жидкостях со взвешенными в них частицами. В подразделе 1.1 изучается движение твердых шарообразных монорадиусных частиц в жидкости или газе под действием некоторой постоянной силы (например, силы тяжести). Обнаружено, что в такой системе развивается неустойчивость, найден ее инкремент. Неустойчивость способна приводить к сближению частиц и последующей их коагуляции. Подобный эффект может наблюдаться при оседании искусственных туманов, пыли. Механизм неустойчивости может быть объяснен двумя причинами. Во-первых, при возрастании в некоторой области количества твердых частиц увеличивается скорость газа в этой области, т.к. эффективное сечение, через которое проходит газ, уменьшается. Увеличение скорости вызывает уменьшение давления, что приводит к дальнейшему сближению твердых частац, а значит - к развитию неустойчивости. Во-вторых, при определенных обстоятельствах более существенную роль играет механизм, связанный с эффектом 8

тесненности, т.е. увеличением силы вязкого трения в области с овышенной концентрацией твердых частиц. При этом частицы из бласти с повышенной концентрацией твердой фазы сильнее увлегчатся потоком и догоняют частицы в области с пониженной кон-.ентрацией. Это тага» приводит к росту плотности числа частиц. lasHO отметить, что неустойчивость обусловлена коллективным ;заимодействием частиц. Исследования проводятся для произволь-iix чисел Рейнольдса. В подразделе 1.2 изучается влияние на [еустойчивость существования функции распределения частиц по ¡азмерам. Отмечено, что в этом случае величина инкремента неус-'ойчиеости уменьшается, что обусловлено рассасыванием возника-»цих областей с повышенной плотностью частиц из-за различия их скоростей. В подразделе 1.3 исследуется влияние воздействия ¡вука на многофазные среды. На основе полученных в 1.1 результатов предложено принципиально новое объяснение известного patee эффекта акустической коагуляции частиц аэрозолей и суспен-¡ий. Объяснена зависимость времени коагуляции от частоты и мощ-юсти звукового поля, а также от параметров дисперсной среды. Зависимость времени коагуляции от частоты носит резонансный сарактер, что позволяет говорить о существовании оптимальных lacTOT коагуляции.

Во второй разделе исследуются коллективные механизмы коа-яесценции пузырьков газа в жидкости. В подразделе 2.1 рассмотрено движение пузырьков газа в вязкой жидкости под действием выталкивающей силы. Обнаружено, что такое движение является яеустойчивым по отношению к малым возмущениям плотности числа пузырьков. Неустойчивость приводит к сближению пузырьков и их последующей коалесценции. Решение демонстрирует наличие двух равноправных механизмов неустойчивости. Один из них аналогичен

Э

неустойчивости движения твердых Частиц в газе, другой обусловлен наличием собственных колебаний пузырьков. В этом случае при увеличении размеров пузырьков в некоторой области смеси уменьшается эффективное сечение для жидкости, что приводит к возрастанию скорости ее течения относительно пузырьков. Рост скорости сопровождается падением давления, что, в свою очередь, способствует дальнейшему росту пузырьков и увеличению их концентрации. Первый механизм действует в области коротковолновых возмущений. Второй механизм имеет место для длинноволновых возмущений. В подразделе 2.2 на основе полученных в 2.1 результатов рассматривается задача о коалесценции пузырьков газа в жидкости под воздействием звукового излучения. Определен оптимальный диапазон частот, на которых происходит коалесценция. Отмечено, что чем крупнее пузырьки, тем ниже должна быть частота озвучивания. Получены выражения для характерного времени коалесценции. Их количественные оценки демонстрируют удовлетворительное совпадение с временами озвучивания жидкостей для их дегазации в промышленности.

Третий раздел посвящен исследованию влияния электростатических параметров на коагуляцию частиц аэрозоля. В подразделе 3.1 рассматривается движение одноименно заряженных частиц через проводящий газ. Обнаружено, что в среде возбуждается два типа неустойчивости. Первый аналогичен неустойчивости движения твердых частиц в газе. Он был подробно изучен в разделе 1. Выяснено, что существование собственных зарядов на частицах уменьшает величину инкремента ввиду возникновения кулоковских сил отталкивания. Второй тип обусловлен присутствием электрических зарядов на частицах и аналогичен пучковой неустойчивости в плазме. Показано, что неустойчивости возбуздаются на различных частотах 10

I взаимодействие между шиш отсутствует. В подразделе 1.2 исследуется воздействие сильного электрического поля на аэрозоль. Токазано, что поляризуюциеся в поле частицы способны коагулиро-зать друг с другом. При этом коагуляция возможна лишь при нали-пги распределения частиц по размерам, когда существует относительное движение между частицами разных радиусов. В подразделе 3.3 на основании результатов полученных в 3.1 я 3.2 исследуется механизм акустической коагуляции частиц аэрозоля, связанный табо с наличием на частицах собственных зарядов, либо с их поляризацией ео внешнем электрическом поле. Рассмотрение прово-тится на примере аэрозоля, состоящего из двух монорадиусных "рупп часпщ. Определена зависимость характерного времени коагуляции от частоты акустической волны. Выяснено, что зависи-лость эта носит резонансный характер, что может быть использо-зано для определения оптимального диапазона частот коагуляции. 3 подразделе 3.4 изучается процесс коагуляции заряженных частиц, взвешенных в газе, при воздействии на него переменным эле-стрическим полем. Это становится возможным благодаря тому, что 1астицы разных знаков начинают двигаться друг относительно дру-

Существование такого движения в свою очередь приводит к зозшпшовению пучковой неустойчивости.

Четвертый раздел посвящен вопросу генерации звука при конденсации пара. Рассматривается среда, состоящая из пара, газа и сапель. Система находится в неравновесном состоянии, когда плотность пара больше плотности насыщенных паров. При этом становится возможной генерация звука. Эффект основан на том, что в тересыщенном паре, когда конденсация идет более интенсивно, чем юпарение, происходит выделение тепла. Часть выделяющейся энергии в определенных условиях расходуется на генерацию звука. В

области, где возрасла плотность воздуха, увеличивается концентрация капель, поскольку в низкочастотном приближении капли "вморожены" в газ. Это означает, что в области сжатия наряду с адиабатическим нагревом происходит дополнительный нагрев, обусловленный явлением конденсации. Поскольку звуковые волны являются квазиадиабатическими, то дополнительный нагрев вызывает дополнительный рост плотности. Для экспериментальной проверки этого эффекта, а также для создания мощного генератора звуковых волн в четвертом разделе диссертации предложено использовать резонатор Гельмгольца, заполненный пересыщенным паром. Получено нелинейное интегродифференциальное уравнение, учитывающее процессы конденсации и теплопередачи от очагов конденсации к газу. Найденное приближенное решение показывает, что в резонаторе формируются стационарные колебания с амплитудой и частотой, зависящими от параметров резонатора и заполняющей его среды. Обнаружено, что для генерации звука необходимо чтобы плотность пара в резонаторе существенно превышала плотность насыщенных паров. Это связано с тем, что в области увеличения плотности растет температура, а значит растет и плотность насыщенных паров. Приведены оценки уровня давления в генерируемой волне.

В Заключении формулируются основные результата, полученные в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1) Рассмотрена задача о поведении твердых монорадиусныг частиц движущихся в газе или жидкости под действием силы тяжести. Обнаружено, что в такой системе развивается неустойчивость, найден ее инкремент. Отмечено, что неустойчивость обусловлен: коллективным взаимодействием частиц и связана с когерентны} 12

характером длиноволновых возмущений, в формировании которых участвует сразу большое число твердых частиц. Показано, что исследованный механизм может приводить к динамической коагуляции аэрозолей. Проведено обобщение на случай, когда имеется функция распределения частиц по размерам.

2) Исследовано движение монорадиусных пузырьков газа, всплывающих в вязкой жидкости. Обнаружено, что такое движение является неустойчивым по отношению к малым возмущениям плотности числа пузырьков. Это приводит к сближению пузырьков и к их последующей коалесценции. Оказывается, что при движении пузырьков существует два типа неустойчивости; один из которых полностью аналогичен неустойчивости твердых частиц в жидкости, второй обусловлен собственными радиальными колебаниями пузырьков. Приведены оценки, демонстрирующие эффективность механизма.

3) Предложено новое объяснение акустической коагуляции монодисперсных аэрозолей Тя суспензий на основе модели коллективного взаимодействия частиц, учитывающей не силы парного взаимодействия, а силы, обусловленные целым ансамблем частиц. Найдена зависимость времени коагуляции от частоты и мощности звукового поля, а также от параметров дисперсной среды. Эта зависимость носит резонансный характер, что позволяет рекомендовать оптимальный диапазон частот при проведении экспериментов. Численные оценки показывают хорошее согласие теоретических данных с экспериментальными.

4) Решена задача о воздействии звука на жидкость, содержащую пузырьки газа. Показано, что на осноЕе коллективного механизма взаимодействия пузырьков возможно развитие неустойчивости, приводящей к их коалесценции. О_бнаружено, что коалесцен-ция крупных и мелких пузырьков обусловлена различными механиз-

мами.

5) Исследовано движение твердых частиц, поляризованных сильным внешним электрическим полем, в вязком газе. Обнаружено, что при движении возникает неустойчивость, аналогичная пучковой неустойчивости в плазме. Неустойчивость может приводить к коагуляции частиц, а также к росту электрического поля в системе. Исследован механизм коагуляции заряженных частиц в переменном электрическом поле.

6) Предложен и теоретически исследован механизм акустической коагуляции частиц аэрозоля, связанный либо с наличием на частицах собственных зарядов, либо с их поляризацией во внешнем электрическом поле. Указанный механизм обусловлен коллективным взаимодействием всего ансамбля частиц. Рассмотрение проводится на примере аэрозоля, состоящего из двух монорадиусных групп частиц. Определена зависимость характерного времени коагуляции от частоты акустической волны.

7) Исследованы звуковые колебания в резонаторе Гелъмголь-ца, заполненном пересыщенным паром, когда процесс конденсации идет более интенсивно, чем процесс испарения, и в системе выделяется энергия, часть которой расходуется на усиление акустических колебаний. Получено нелинейное интегродифференциальное

С" 4

уравнение, учитывающее процессы конденсации и теплопередачи от очагов конденсации к газу. Найденное приближенное решение показывает, что в резонатора формируются стационарные колебания < амплитудой и частотой, зависящими от параметров резонатора I заполняющей его среды. Обсуждается возможность экспериментальной проверки изучаемого эффекта, приводятся оценки уровня давления в генерируемой волне. 14

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЩИ I. Котюсов а.н., Немцов Б.Е. Неустойчивость равнолерного распределения тверды частиц в потоке газа. а) Препринт НИРФИ А 291, Горьки», 1989, 12 о. Ö) Изв. вузов Радиофизика, 1990, т.ЗЗ. Д 12, е.. 1320-1326. I. Котюсов А.Н., Немцов Б.Е., Орлова Е.Е. О леханизле ноалес-ценции пузырьков газа, движущихся в вязкой жидкости. ПМТФ, 1992, а 2, с. 55-58.

Котюсов А.н., Немцов Б.Е. Индуцированная коагуляция лахых частиц под действиел звука.- Препринт НИРФИ а 327, Нижний Новгород, 1991, 15 с. I. Котюсов А.Н. О леханизле дегазации жидкости звукол.- Акуст.

журнал, 1992, т.38, Я 1, с.179-182. >. Котюсов А.Н., Немцов Б.Е. Коагуляция частиц в лногофазкых средах под действиел звука. - Тезисы докладов 7-го Всесоюзного съезда по теоретической и прикладной механике, М., МГУ, 1991, 205 с. з. Котюсов А.Н. Паралетрическая неустойчивость заряженных частиц в перелетал электрическол поле. - Изв. вузов Радиофизика, 1990, т.ЗЗ, J» 11, с. 1228-1231. Г. Котюсов А.Н. влияние элетростатических параметров на акустическую коагуляцию аэрозоля. Препринт НИРФИ Я 335, Нижний Новгород, 1991, 14 с.

Котюсов А.Н. О влиянии электростатических паралетров облака на акустическую коагуляция облачных капель. Тезисы всесоюзной конференции по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы, Нальчик, КБССР, 1991,105 с. Котюсов А.Н., Немцов Б.Е. Акустический "лазер".

а) Акуст. журнал, 1991, т.37, в.1, с. 123-130.

б) Препринт НИРФИ » 309, Горький, 1990, 15 с.