Конвективный перенос в пористых средах и зернистых слоях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Аналогия процессов тепломассопереноса в пористых средах и ячейке Хил-Шоу.

1.1. Уравнения переноса в узкой щели.

1.2. Естественная конвекция на вертикальной пластине и ^ в прямоугольной полости.

1.3. Естественная конвекция от источника теплоты.

1.4. Естественная конвекция на горизонтальном цилиндре.

1.5. Гидродинамика и массообмен при обтекании цилиндра.

1.6. Теплообмен при обтекании цилиндра.

Явления конвективного переноса в насыщенных жидкостью пористых средах и зернистых слоях, включая теплообмен при фазовых превращениях, вызывают огромный интерес у специалистов различных отраслей знания и техники ввиду своих многочисленных приложений.

К ним относится, например, отвод тепла из макроотходов радиоактивного топлива в результате аварии ядерного реактора, тепломассопере-дача при глубоком захоронении отходов ядерного топлива в естественных геологических полостях, подземное распространение загрязняющих веществ, создание, приемников солнечной энергии и проектирование ядерных реакторов с шаровыми твэлами.

Важное значение имеют расчеты движения грунтовых вод. Так, при фильтрации воды вблизи охлаждаемых интрузий в областях активной вулканической деятельности могут образовываться горячие источники, гейзеры и геотермические резервуары. Эти процессы, в свою очередь, ответственны за образование многих минеральных скоплений, поскольку минералы хорошо растворимы в горячей грунтовой воде и выпадают в осадок там, где температура падает или происходит кипение. Модели процессов переноса в пористых средах применимы также к задачам о миграции магмы.

Большое внимание данной проблеме уделяют и специалисты нефтяной и газовой промышленности, для которых понимание основных закономерностей протекания процессов в пористых средах чрезвычайно важно при оценке запасов нефти и газа, а также при разработке тепловых методов добычи нефти с целью рентабельного извлечения значительных геологических запасов, которые остаются в Земле после выработки нефтяных залежей традиционными методами, и решения проблем транспортировки газожидкостных смесей.

Широкое применение результаты исследований тепломассопереноса в пористых средах находят при создании регенеративных теплообменников, содержащих пористые (зернистые) материалы, высокоэффективной теплоизоляции для зданий и холодильников. Эти вопросы также являются приоритетными при разработке высокоэффективных методов сушки.

Другой важной проблемой является теплообмен при хранении сельскохозяйственной продукции, выделяющей энергию в результате метаболизма, при сооружении подземных трубопроводов и прокладке электрических кабелей.

И, конечно, в этой связи нельзя не упомянуть процессы и аппараты химической технологии, широко использующих химические реакторы (как, например, дистилляционные и абсорбционные колонки) с плотно-упакованным зернистым слоем (так называемые насадки), как с осевым, так и радиальным течением рабочих жидкостей в зависимости от конструктивных особенностей аппаратов и организации процесса. Так, внутри реактора могут быть заполненные катализаторами трубы, через которые протекает рабочая жидкость, либо - это погруженные в слой катализаторов пучки труб, через которые протекает охлаждающая жидкость.

Таким образом, приведенный, но, конечно, далеко не исчерпывающий, перечень областей реализации явлений конвективного переноса в пористых средах и зернистых слоях указывает на значимость этой проблемы, её многогранность и подчеркивает необходимость её фундаментального исследования.

Исследование основных закономерностей процессов конвективного переноса в пористых средах, продолжающееся многие десятки лет, относится к числу самых сложных проблем механики.

С теоретической точки зрения, это, прежде всего, связано с трудностями разработки методов осреднения уравнений сохранения при наиболее часто используемом континуальном подходе. Эти трудности определяются наличием сложных многосвязных поверхностей фаз, в общем случае меняющихся во времени, и последующим привлечением достаточно обоснованных гипотез замыкания, поскольку при любом методе осреднения всегда теряется некоторая информация, в связи с чем и возникает необходимость использования дополнительных эмпирических соотношений или приближений.

Особое значение приобретают области, прилегающие к ограничивающим поверхностям и играющие чрезвычайно важную роль в формировании как структуры фильтрационного течения, так и процессов тепломассообмена в пористых средах и зернистых слоях, и которые накладывают существенные ограничения на операцию осреднения.

И даже при необходимом количестве принятых допущений большинство полученных в конечной форме теоретических решений для простой геометрии имеют область применения в диапазоне скоростей фильтрации, как правило, соответствующим линейному закону сопротивления Дарси, и постоянными значениями эффективных коэффициентов переноса. Учет влияния пристенных эффектов и дисперсионного вклада в эффективные коэффициенты переноса проводится, во многих случаях, либо на качественном уровне, либо требует численного решения уравнений движения и тепломассообмена. Но привлечение численных методов не снимает основных ограничений континуального подхода. Более того, только повышается роль построения физически адекватной модели процессов переноса.

В подобной ситуации очень важно иметь достоверные экспериментальные данные, показывающие возможности предлагаемых моделей и дополняющие их, особенно, в условиях, когда нельзя экстраполировать полученные результаты на новые объекты.

Следует также отметить, что проведение прямых измерений в пористых средах и зернистых слоях контактным методами невозможно без нарушения структуры среды и без внесения трудноконтролируемых возмущений в течение. Очевидны также трудности визуализации как потока, так и процессов тепломассопереноса. Применение для исследования гидродинамики в зернистых слоях бесконтактных методов типа лазерно-допплеровской анемометрии возможно только для соответствующих оптических жидкостей и при строгом контроле за температурным режимом, что существенно ограничивает применимость этих методов для экспериментального исследования процессов тепломассообмена.

Что касается проблем пленочной конденсации и пленочного кипения на поверхностях, погруженных в зернистую среду, то в литературе представлено лишь ограниченное количество работ, обозначивших постановку проблемы, но результаты этих исследований не позволяют дать объяснение ряду экспериментальных данных.

Всё вышесказанное подчеркивает актуальность проведения исследования процессов конвективного переноса в пористых средах и зернистых слоях.

Целью работы является исследование аналогии процессов тепломассопереноса в пористых средах и тонких щелях; разработка основ теории процессов переноса в пристенной зоне турбулентных отрывных течений, а также получение основных закономерностей тепломассообмена стенок каналов, заполненных зернистой средой, с фильтрационным потоком в широком диапазоне режимных параметров; исследование теплообмена при пленочных конденсации и кипении на поверхностях, размещенных в пористых средах и зернистых слоях; асимптотический анализ турбулентного газожидкостного потока в каналах и на проницаемой пластине.

В главе 1 теоретически и экспериментально на примере теплового источника и классической геометрии вертикальной пластины и горизонтального цилиндра рассмотрены задачи естественной конвекции, а также тепломассообмена при вынужденном обтекании цилиндра в узкой щели (ячейке Хил-Шоу).Доказана аналогия процессов переноса в пористой среде и ячейке Хил-Шоу, что позволяет использовать это устройство, как физическую модель для исследования тепломассообмена поверхностей, размещенных в пористых средах, в условиях справедливости закона сопротивления Дарси. На основе сопоставления с имеющимися экспериментальными данными по пористым средам и зернистым слоям указаны границы применимости аналогии.

В главе 2 найдены автомодельные решения для смешанной конвекции на горизонтальной и вертикальной пластинах, при естественной конвекции от точечного и линейного тепловых источников с учётом конвективной дисперсии в условиях отклонения от закона Дарси. Указаны диапазоны преобладающего влияния механизмов свободной, смешанной и вынужденной конвекции, получены критерии, определяющие теплопередачу при нелинейной фильтрации.

Глава 3, предваряющая анализ процессов тепломассопереноса при турбулентной фильтрации, посвящена разработке основ теории процессов переноса в турбулентных отрывных течениях. Сформулированы основные гипотезы подобия процессов переноса в пристенной зоне турбулентных отрывных течений, позволившие получить асимптотические законы распределения осредненных температур, скоростей и их пульсаций, спектры пульсаций скорости и давления для пристенной зоны турбулентных отрывных потоков. Теоретически обоснован известный ранее как эмпирический "закон степени 2/3" для тепломассообмена для такого класса течений. Проанализированы известные в литературе опытные данные для различных типов турбулентных отрывных течений, имеющих широкое распространение во многих отраслях техники.

В главе 4 описаны экспериментальные исследования теплообмена со стенками круглого канала, заполненного зернистой средой. Выявлены различные режимы теплообмена в соответствии с изменением гидравлического сопротивления. Опираясь на результаты, полученные в главе 3 по основным свойствам турбулентных отрывных потоков, и результаты выполненных экспериментальных исследований, установлен универсальный закон теплообмена для режима турбулентной фильтрации. Предложена также физическая модель теплоотдачи в инерционном режиме, позволяющая обобщить известные ранее и вновь полученные экспериментальные данные.

В главе 5 детально исследовано влияние различных факторов (геометрия поверхности, инерционные члены, пристенная зона) при пленочных конденсации и кипении на поверхностях, размещенных в зернистой среде. Рассмотрен предельный случай тонкой пленки, т.е. пленки с толщиной существенно меньше, чем размер зерен, формирующих зернистый слой.

Выполненное сопоставление с имеющимися в литературе экспериментальными данными показало хорошее соответствие предложенных простых моделей и опытов.

Глава 6 посвящена анализу турбулентного движения газожидкостной смеси в каналах и на проницаемой пластине. Используя локально-гомогенное приближение и концепцию турбулентного пограничного слоя с исчезающей вязкостью, получены предельные законы трения, для которых требуется лишь одна дополнительная эмпирическая константа, в то время как для расчета профилей скорости и газосодержания дополнительной информации из опытов не требуется. Выполнена оценка снижения сопротивления трения при вдуве пузырьков в турбулентный пограничный слой на проницаемой пластине.

В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных автором самостоятельно и в сотрудничестве с аспирантами и соискателями. В совместных теоретических публикациях автору принадлежат постановка задач, основные идеи, построение моделей и полученные в ходе работ результаты. Экспериментальные установки, методики измерений и численные схемы, эксперименты и численные расчёты по исследованию процессов переноса в ячейке Хил- Шоу и в каналах, заполненных зернистой средой, создавались и выполнялись сотрудниками научного коллектива под руководством и непосредственном участии автора. В публикациях, посвященных комплексному теоретическому и экспериментальному решению соответствующих задач или только экспериментальным исследованиям, Горину A.B. принадлежат основные идеи, постановки задач и эксперимента, физические модели и полученные результаты. В публикациях, посвященных комплексному экспериментальному и теоретическому исследованию пленочного кипения и конденсации на пластине в зернистой среде, Горину A.B. принадлежит теоретическое решение задачи.

Данный цикл исследований проводился по инициативе и при непосредственном участии академика В.Е. Накорякова.

Теоретические исследования турбулентных отрывных течений выполнены совместно с Д.Ф.Сиковским; работы по исследованию свободной а конвекции в ячейке Хил-Шоу начинались совместно К.В.Накоряковым в дальнейшем экспериментальные исследования свободной конвекции в ячейке Хил-Шоу проводились совместно с Чупиным В.М., а численные расчёты - совместно с Хоруженко А.Г., Егоровым А.Ю. и Цоем О.Н.; экспериментальные исследования тепломассообмена горизонтального цилиндра в узкой щели при вынужденной конвекции выполнены совместно с Мухиным В.А. и Михайловой Т.Н. и при участии Сиковского Д.Ф.; теплообмен при смешанной конвекции исследован с участием Хоруженко А.Г. и Цоя О.Н.; экспериментальное исследование теплообмена при фильтрации в круглой трубе и кольцевом канале, заполненных зернистой средой проведено совместно с Мухиным В.А., Дехтярём P.A. и Саломатиным E.H., а эксперименты по гидродинамике отрывных течений в кавернах - с участием Богатырёва В.Я.; теоретические исследования плёночной конденсации на поверхностях, размещённых в пористых средах,выполнены совместно с Цоем О.Н.

Монография "Тепломассоперенос в двухфазных системах" написана в соавторстве с В.Е. Накоряковым, и в ней нашли отражение полученные в диссертации результаты по исследованию движения газожидкостных смесей и теплообмена при пленочном кипении и конденсации на поверхностях, размещенных в пористых средах.

Основные результаты диссертации были представлены на Международной школе- семинаре "Математические модели в теории тепло- и мас-сообмена" (Минск, 1982); Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1988, 1992), 2ой Всесоюзной конференции "Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации" (Рига, 1988); I Всесоюзном семинаре "Оптические методы исследований потоков" (Новосибирск, 1988); Межотраслевой конференции "Теплофизика-89" (Обнинск, 1989); VIII Всесоюзной конференции" Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах" (Ленинград, 1990); International Seminar "Evaporative Cooling Systems and Electronic Equipments" (Novosibirsk, 1991); Всесоюзном семинаре "Теплообмен и теплофизиче-ские свойства пористых материалов" (Новосибирск, 1991); Eurotherm Seminar Nr. 16 "Natural Circulation in Industrial Application" (Pisa, Italy, 1991); International Conference "Heat and Mass Transfer in Porous Media" (Dubrovnik, Yugoslavia, 1991); III и IV Сибирских семинарах "Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей" (Новосибирск, 1996, 1997);

16

VI International Symposium "Flow Modeling and Turbulence Measurements" Tallahassee, USA, 1996); IV World Conference "Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics" (Brussels, Belgium, 1997): II International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer" (Delft, The Netherlands, 1997); Международной конференции "Всесибирские чтения по математике и механике" (Томск, 1997); XI International Heat Transfer Conference (Kyongju, Korea, 1998); II International Conference " Turbulent Heat Transfer" (Manchester, UK, 1998); XIII International Congress on Chemical and Process Engineering - CHISA'98 (Prague, Czech Republic, 1998); Второй Российской Национальной Конференции по Теплообмену (Москва, 1998); International Conference on Stability and Turbulence of Homogeneous and Heterogeneous Flows (Novosibirsk, 1999).