Применение газодинамического лазера для очистки водной поверхности от нефтяного загрязнения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Нефтяное загрязнение мирового океана.

1.1. Актуальность экологической проблемы.

1.2. Трансформация нефтяного загрязнения.

1.3. Существующие методы ликвидации нефтяного загрязнения водной среды.

Глава 2. Взаимодействие лазерного излучения с нефтяной пленкой.

2.1. Первые эксперименты.

2.2. Расчет поля температур.

2.3. Метастабильность и парообразующий взрыв водной подложки.

2.4. Воздействие взрывного вскипания на пленку нефти.

Глава 3. Газодинамический лазер.

3.1. Обоснование выбора газодинамического лазера для очистки водной поверхности от нефтяной пленки.

3.2. Газодинамический лазер и принцип его работы.

Глава 4. Экспериментальные исследования.

4.1. Измерение мощности лазерного излучения.42 ;

4.2. Методика проведения экспериментов.

4.3. Результаты эксперимента. 57 ;

4.4. Об особенностях взаимодействия излучения с пленкой

Тема диссертации: применение газодинамического лазера для очистки водной поверхности от нефтяного загрязнения

Цель работы: Исследование взаимодействия лазерного излучения с нефтяной пленкой на поверхности воды. Определение параметров лазерного луча, способного уничтожать нефтяную пленку.

Структура работы следующая:

В главе 1 приводится обзор проблемы загрязнения Мирового океана нефтью и нефтепродуктами; анализируются существующие методы ликвидации аварийных разливов нефти на водной поверхности; мотивируется актуальность поиска новых универсальных методов уничтожения нефтяной пленки на поверхности воды.

В главе 2 проводится анализ первых экспериментов по взаимодействию лазерного излучения с нефтяной пленкой, проведенных еще в 70-е годы XX века. Эти эксперименты стали отправной точкой в исследованиях. Далее следует теоретическая часть. Расчет поля температур позволяет понять динамику прогрева гетерогенной жидкой структуры типа нефть/вода, на основании рассчитанных распределений температур анализируются процессы парообразования воды под нефтяной пленкой. Дальнейшие расчеты и оценки производятся в рамках модели взрывного вскипания метастабильной жидкости, рассматривается воздействие парообразующего взрыва на нефтяную пленку и ее дробление на капли. Проводятся оценки величины характерного размера образующихся капель и высота их подбрасывания. Выполненные расчеты позволяют понять механизм взаимодействия лазерного излучения с нефтяной пленкой на водной поверхности и иллюстрируют возможность очистки поверхности воды от нефтяного загрязнения.

В главе 3 изложен сравнительный анализ различных типов мощных газовых лазеров с точки зрения целесообразности их применения для уничтожения нефтяной пленки. Рассматриваются также основные принципы работы газодинамического лазера.

Глава 4 полностью посвящена экспериментальным исследованиям. В начале главы изложена методика измерения мощности лазерного излучения с помощью проточного калориметра, способы калибровки и ошибки измерения мощности. Далее рассматривается методика проведения экспериментов по уничтожению нефтяной пленки лазерным излучением, проведенных на стенде "ИЦ им М.В. Келдыша". Основными результатами экспериментального исследования являются параметры взаимодействия лазерного излучения с нефтяной пленкой, необходимые для ее полного уничтожения.

В Заключении сформулированы выводы.

В Дополнении приведена оценка производительности очистки водоемов от нефтяной пленки лазерным методом.

Научная новизна: впервые в мировой практике в лабораторных условиях произведена лазерная очистка поверхности жидкости от нефтяной пленки. Экспериментально установлены необходимые для полного сгорания нефтяной пленки параметры лазерного излучения. Разработан метод расчета параметров, характеризующих процесс взаимодействия лазерного излучения с нефтяной пленкой. Результаты расчета удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

Апробация работы: Результаты диссертационной работы доложены автором на Всероссийской конференции молодых ученых "Проблемы исследований и разработок по созданию силовых энергетических установок XXI века" в ЦИАМе им. П.И. Баранова и на выставке научно-технического творчества молодежи на ВВЦ. Автор награжден медалью "Лауреат ВВЦ". Часть результатов диссертационной работы докладывалась также на международной конференции "XIII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers and High-Power Laser Conference" проходившей во Флоренции (Италия) в 2000 году.

Публикации: По материалам диссертационной работы опубликованы два научно-технических отчета ИЦ им. М.В. Келдыша, тезисы докладов на конференциях, две статьи приняты и готовятся к печати в отраслевых сборниках.

Заключение

В диссертационной работе были получены следующие результаты:

1. Проведено теоретическое исследование динамики нагрева системы типа "нефтяная пленка на воде". Путем численного решения уравнения теплопроводности с учетом поглощения лазерного излучения получены кривые распределения температур в системе "вода - нефтяная пленка". Расчеты показали, что максимум распределения температуры находится в слое воды, непосредственно примыкающем к нефтяной пленке. Это означает, что вода при воздействии лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм достигает температуры кипения раньше нефти.

2. Разработана методика проведения экспериментальных исследований по взаимодействию излучения газодинамического лазера с нефтяной пленкой на водной поверхности. Исследован калориметрический метод измерения мощности лазерного излучения.

3. Проведена серия экспериментов по воздействию лазерного излучения на нефтяную пленку на водной поверхности. Исследован механизм сгорания нефтяной пленки. Экспериментально обнаружен эффект подбрасывания фрагментов нефтяного загрязнения, приводящий к созданию пригодной для горения смеси капель нефтепродукта с воздухом.

4. В рамках физической модели взрывного вскипания метастабильно перегретой лазерным излучением жидкости рассмотрено воздействие парообразующего взрыва на нефтяную пленку. Теоретически обоснован наблюдаемый в экспериментах эффект подбрасывания фрагментов нефтяной пленки.

5. Впервые в эксперименте произведена очистка воды от пленки нефти лазерным лучом. Экспериментально установлены необходимые для полного сгорания нефтяной пленки энергетические параметры взаимодействия лазерного луча с жидкостью. Получены следующие условия полного сгорания нефтяной пленки:

Плотность энергии лазерного излучения - не менее 10 Дж/см

-у

Плотность мощности лазерного излучения - не менее 0,7 кВт/см

6. Результаты эксперимента свидетельствуют об отсутствии зависимости необходимой для полного сгорания нефтяной пленки величины плотности энергии от толщины пленки в исследуемом диапазоне толщин.

7. Выявлены особенности процессов горения пленок различных нефтепродуктов при лазерном воздействии - керосина, дизельного топлива и пр. Установлена величина плотности лазерной энергии, необходимая для полного сгорания пленки отработанного машинного масла.

8. Проведен сравнительный анализ различных типов мощных газовых лазеров с точки зрения целесообразности их применения для уничтожения нефтяной пленки. Обоснована оптимальность выбора газодинамического лазера для решения задачи очистки водоемов от нефтяного загрязнения.

1. С.Г. Орадовский, Н.А. Афанасьева, Т.А. Иванова, И.Г. Матвейчук, Оценка тенденций изменения уровня химической загрязненности российских акваторий Каспийского, Черного и Азовского морей за период 1980-1995 гг. - Океанология РАН, т. 37, № 6, 1997.

2. Н.Г. Ильминский, Т.В. Саламатова, Трансформация природного комплекса от источников антропогенного воздействия на примере Бегешкинского месторождения нефти. Нефтяное хозяйство, № 3, 1998.

3. О.Г. Миронов, Борьба с нефтяными загрязнениями морей. М. ВНИИОЭНГ, 1980.

4. И.А. Лавриненко, О.В. Лавриненко, Аккумуляция растениями тяжелых металлов в условиях нефтезагрязнения. Сибирский экологический журнал, т. 5, № 3-4, 1998.

5. А.С. Бесчастнов, В.В. Таран, Тенденция борьбы с нефтяным загрязнением моря за рубежом. М: ВНИИОЭНГ, 1979.

6. Г.Н. Позднышев, Т.В. Абаева, P.P. Клековкина, Применение поверхностно активных веществ для ликвидации аварийных разливов нефти на поверхности водоемов, М.: ВНИИОЭНГ, 1978.

7. А. Степанов, Чем отмыть воду? Нефть России, №9, 1999.

8. Г. Хефлинг, Тревога в 2000 году: Бомбы замедленного действия на нашей планете. -М.: Мысль, 1990. (270с.)

9. В.М. Золотарев, В.Н. Морозов, Е.В. Смирнова, Оптические постоянные природных и технических сред. Справочник JI.: Химия, 1984.

10. Г.А. Аскарьян, Е.К. Карлова, Р.П. Петров, В.Б. Студенов, Действие мощного лазерного луча на поверхность воды с пленкой жидкости: селективное испарение, выжигание и выбрызгивание слоя, покрывающего поверхность воды. Письма в ЖЭТФ, 1973, т. 18, вып.11.

11. Д. Поттер, Вычислительные методы в физике. М.:Мир, 1975.

12. Н.Н. Калиткин, Численные методы. М.:Мир, 1978.

13. Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобелбков, Численные методы. М.: Наука, 1987.

14. А.А. Самарский, Введение в численные методы. М.: Наука, 1987.

15. Э.Д. Бут, Численные методы. М.: Физматгиз, 1959.

16. А.И. Марченко, JI.A. Марченко, Программирование в среде Turbo Pascal 7.0. Киев:Век+, 1998.

17. В.И. Грызлов, Т.П. Грызлова, Турбо Паскаль 7.0. М.:ДМК, 1998.Ч

18. С.С. Кутателадзе, Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990.

19. В.П. Скрипов, Метастабильная жидкость. М.: Наука, 1972.

20. А.А. Самохин, А.Б. Успенский, Испарене жидкости в условиях сильного перегрева. Теплофизика высоких температур, т. 20, № 4, с. 718 -724, 1982.

21. А.А. Самохин, А.Б. Успенский, Влияние спинодальных особенностей на процесс испарения перегретой жидкости. ЖЭТФ, т.73, вып. 3(9), с.1025-1031,1977.

22. Д. Хирс, Г. Паунд, Испарение и конденсация. М.: Металлургия, 1966.

23. К.П. Станюкович, Неустановившиеся движения сплошной среды. М.: Наука, 1971.

24. Ф.В. Бункин, М.И. Трибельский, Нерезонансное взаимодействие мощного оптического излучения с жидкостью. УФН, т. 130, вып. 2, 1980.

25. Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер, Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966.

26. М.С. Волынский, О распыливании жидкостей и дроблении капель в потоке воздуха. НТО НИИ-1 № 4218, 1954.

27. Л.И. Седов, Методы подобия и размерности в механике, М.:Гит-тл, 1954.

28. В.К. Конюхов, A.M. Прохоров, Инверсная населенность при адиабатическом расширении газовой смеси. Письма в ЖЭТФ, 1966, т.З, № 11, с. 436-439.

29. D.M. Kuehn, D.J. Monson, Experiments with a C02 Gas Dynamic Laser. - Appl. Phys. Lett., 1970, v. 16, № 1, p. 48 - 50.

30. B.K. Конюхов, И.В. Матросов, A.M. Прохоров, Газодинамический квантовый генератор непрерывного действия на смеси углекислого газа, азота и воды. Письма в ЖЭТФ, 1970, т.12, № 10, с. 461 - 463.

31. E.F. Gerry, The Gas Dynamic Laser. Laser Focus, 1970, v. 6, № 12, p. 27-31.

32. R.A. Meinzer, Experimental Gas Dynamic Laser Studies. AIAA Journal, 1972, v. 10, № 4, p. 388 -393

33. C.A. Лосев, Газодинамические лазеры. М.:Наука, 1977.

34. А.С. Давыдов, Квантовая механика. М.:Наука, 1973.

35. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Квантовая механика. Нерелятивистская теория. М.:Наука, 1974.

36. Ф. Линевег, Измерение температур в технике: Справочник. -М.:Металургия, 1980, 543 с.

37. О.А. Геращенко, А.Н. Гордов, В.И. Лах, Температурные измерения: Справочник. Киев: Наукова думка, 1984 г.1. Дополнение

38. Выполним расчет производительности метода лазерной очистки водоемов от нефтяной пленки.