Теория движения летучей аэрозольной капли раствора в неоднородных газах в режиме со скольжением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

В настоящее время вопросы физики аэродисперсных систем приобрели особую актуальность в связи с возросшей проблемой загрязнения окружающей среды и все более активным применением аэрозолей во многих областях науки, техники, медицины и народного хозяйства [1-3]. Многие развивающиеся современные технологии в таких областях как микроэлектроника и микробиология требуют больших объемов газов, очищенных от аэрозольных примесей или содержащих их контролируемую концентрацию. Поэтому, в связи с необходимостью проектирования промышленной аппаратуры в этой области, а также для проведения лабораторных экспериментов, важную роль играют исследования, посвященные движению аэрозольных частиц в различных газах и газовых смесях.

Явление термофореза также находит свое применение в производстве оптоволокна [*]. Технологический процесс изготовления световодов на основе кварцевого стекла состоит из двух этапов. Явление термофореза применяется на первом этапе - для получения заготовки, представляющей из себя стеклянный стержень длиной порядка 1 м и диаметром около 10-20 мм, при помощи"модифицированного метода химического осаждения из газовой фазы"(МС\Ш).

В связи с интенсивным развитием промышленного производства и автомобильного транспорта в нашей стране и за рубежом вопросы, связанные с охраной окружающей среды от загрязнения промышленными выбросами и выхлопными газами являются также главными в настоящее время. В воздушный бассейн в нашей стране ежегодно поступает около 100 млн. тонн загрязняющих атмосферу веществ [4], оказывающих негативное воздействие на жизнедеятельность человека, растительный и животный мир. Особенно заметно влияние загрязненного атмосферного воздуха на природу и человека в городах с развитой промышленной сферой. В естественных условиях очищение атмосферы от аэрозольных частиц происходит при помощи вымывания их дождевыми каплями, однако, этого недостаточно для городов, являющихся промышленными центрами.

Атмосфера также предохраняет поверхность Земли от чрезмерного перегревания солнечными лучами и последующего охлаждения путем лучеиспускания.

Поэтому с точки зрения экологии, в последнее время все более актуальной становится проблема осаждения аэрозольных частиц, образующихся в процессе производства различных материалов без желания человека. Например, при выплавке металлов и производстве сажи, а также при сжигании топлива (в основном пылевидного) происходит образование аэрозольных частиц (дым и летучая зола) в виде побочного процесса. Такие частицы нуждаются в осаждении, образующиеся таким образом, они оказывают неблагоприятное воздействие на состояние окружающей среды и организм человека (сернокислый туман), вызывают коррозию и т.д. Такая очистка может быть проделана, например путем пропускания загрязненного газового потока через волокнистые фильтры или различного вида каналы, на стенках которых происходит осаждение аэрозольных частиц.

С другой стороны, промышленные аэрозоли могут содержать ценные вещества, нуждающиеся в осаждении как, например, металлургические дымы. Поэтому в нашей стране и за рубежом [5-7] проблема теоретического описания поведения взвешенных в неоднородном газе тел становится одной из основных проблем механики аэродисперсных систем. Знание закономерностей этого поведения позволит провести исследование эволюции аэродисперсных систем и решить вопрос целенаправленного воздействия на аэрозоли.

Одним из актуальных научных направлений, развиваемых в последнее время, в рамках проблемы движения частиц в неоднородных газах является теоретическое исследование движения частиц в неоднородной по температуре газовой среде (термофорез). Построение теории термофореза аэрозольных частиц является сложной задачей. Дело в том, что движение конкретной частицы в газе определяется не только поверхностными явлениями, обусловленными взаимодействием молекул среды с поверхностью частицы, а зависит еще и от объемных эффектов, возникающих из-за неоднородного распределения гидродинамического, температурного и концентрационного полей. Также следует отметить, что частицы, которые входят в состав реальных аэродисперсных систем, могут быть твердыми или жидкими, неоднородными по составу, иметь фазовый переход на поверхности, а также могут обладать анизотропией теплофизических свойств.

Из вышесказанного следует, что исследование вопросов, связанных с переносом аэрозольных частиц в неоднородной по температуре газовой среде носит актуальный характер и представляет как теоретический, так и практический интерес.

Вопросы термофоретического движения умеренно крупных капель растворов для случая когда летучий компонент является малой добавкой к основному газу рассмотрены в [10,65]. В работе [65] построена наиболее общая теория термофореза умеренно крупных капель растворов, однако при постановке граничных условий не учитывался объемный поток энтальпии, связанный с общим движением газа как целого и не учитывалось влияние эффекта Дюфура на скорость термофореза умеренно крупных частиц. При проведении численных оценок влияния отдельных эффектов на скорость термофореза влияние объемной термодиффузии также не учитывалось. В связи с этим возникла необходимость учесть вышеуказанные эффекты в теории движения умеренно крупных капель концентрированных растворов.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящего исследования является построение теории термофореза умеренно крупных и крупных, как летучих так и нелетучих капель растворов и твердых частиц сферической формы с учетом объемного потока энтальпии и диффузионного термоэффекта (эффекта Дюфура) при наличии объемной термодиффузии во внешней бинарной газовой смеси, а также численно оценить влияние указанных эффектов на скорость термофоретического движения крупных жидких капель и твердых частиц.

Для достижения этой цели необходимо:

1. Решить уравнения газовой динамики с учетом объемного потока энтальпии и эффекта Дюфура, с целью получения выражения для скорости термофореза умеренно крупных капель растворов при произвольной концентрации растворенного вещества в капле.

2. Провести анализ полученной формулы для частных случаев движения аэрозольных частиц, а именно: а) для скорости термофореза жидких умеренно крупных летучих капель чистого вещества; б) умеренно крупных нелетучих капель и твердых частиц; в) для термофоретической скорости крупных летучих капель и твердых частиц.

3. Исследовать зависимость полученных выражений для крупных частиц от эффектов, оказывающих влияние на скорость термофореза.

Научная новизна:

На основе известного метода решения уравнений газовой динамики с учетом как известных ранее так и дополнительных эффектов, оказывающих влияние на характер поведения аэрозольных частиц в газах и газовых смесях, впервые получены аналитические выражения, позволяющие вычислять скорость термофореза умеренно крупной капли раствора, когда концентрация растворенного вещества в капле может изменяться от 0 до 1. В качестве дополнительных эффектов учтены объемный поток энтальпии и эффект Дюфура, а в качестве известных эффектов учтено тепловое и диффузионное скольжения, переменное поверхностное натяжение и реактивный эффект от нескомпенсированного фазового перехода летучего компонента, а также учтены скачки температуры и концентраций, эффекты, связанные с внешней и внутренней термодиффузией, пропорциональные коэффициентам объемной термодиффузии к^ и к^, учитывается поток тепла, растекающийся в слое Кнудсена (члены ~ Сч ), а также учитывается термодиффузионное к(е) Л х , * А . „ тозь • Проведены численные оценки вышеуказанной формулы для скорости термофореза крупных частиц для случаев движения в паровоздушной смеси: 1) капель бинарного раствора №С1 в воде; 2) чистых водяных капель; 3) крупных твердых частиц ЫаС1. Вычислены относительные вклады эффекта Дюфура и потока энтальпии в скорость термофореза крупных капель воды и капель раствора, а также вычислены относительные вклады эффекта Дюфура для крупных твердых частиц в диапазоне температур от

273 К до 371 К. Впервые рассчитаны термодиффузионное отношение кт, термодиффузионный фактор (Хт в первом приближении кинетической теории газов для смеси "воздух-водяной пар" в интервале температур от

273 К до 371 К.

Научная и практическая значимость работы:

Результаты научных исследований могут быть использованы при:

1) описании процессов осаждения аэрозольных частиц;

2) оценке скорости движения аэрозольных частиц в газовой среде;

3) создании установок, для нанесения тонких покрытий из аэрозольных частиц;

4) разработке методов тонкой очистки от аэрозольных частиц газовых потоков и т.п. 7

Кроме того, результаты работы могут найти применение в учебном процессе в ВУЗах при разработке спецкурсов по теплофизике и молекулярной физике для высших учебных заведений, а также при подготовке и выполнении курсовых и дипломных работ студентов 3-5 курсов.

Апробация работы:

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах кафедры теоретической физики и ежегодных апрельских конференциях преподавателей, студентов и аспирантов Московского педагогического университета. О проведенных исследованиях также докладывалось на Четвертой Международной конференции «Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах», проходившей в МГТУ "Станкин" (Москва 2000 г.) и на Международной конференции, посвященной памяти профессора А.Г. Сутугина, проходившей в Институте физической химии им. Карпова (Москва, 2000 г.)

Основные результаты исследований опубликованы в работах [113-119].

Основные результаты и выводы:

1. В главе II получена обобщающая формула, позволяющая вычислять скорость термофореза умеренно крупной летучей капли-частицы когда концентрация растворенного вещества может изменяться от 0 до 1. В качестве дополнительных эффектов учтено влияние объемного потока энтальпии и эффекта Дюфура, а из основных эффектов в граничных условиях учтены эффекты теплового и диффузионного скольжений; переменного поверхностного натяжения; реактивного эффекта от нескомпенсированного фазового перехода летучего компонента; скачков температуры и концентраций.

2. В главе III с учетом полученной выше формулы сделаны предельные переходы формулы скорости термофореза для: а) умеренно крупных летучих капель чистого вещества; б) умеренно крупных нелетучих частиц; в) крупных твердых частиц и капель растворов.

3. В главе III впервые проведен численный анализ формул для скорости термофореза для частных случаев движения крупных (11=30 мкм) частиц в паровоздушной смеси с учетом потока объемного потока энтальпии и эффекта

Дюфура при наличии объемной термодиффузии в газовой смеси к^ ): а) крупных капель бинарного раствора NaCl при относительной концентрации растворенного вещества C03i = 0,05 и CQ3j = 0,15; б) крупных чистых капель воды; в) крупных твердых частиц (NaCl);

Анализ показал, что скорость термофоретического движения капли зависит от внешних условий, в которых происходит движение - относительной концентрации летучего компонента внешней бинарной газовой смеси С01е и температуры, а также от концентрации растворенного в капле вещества.

4. Рассмотрено влияние отдельных эффектов, дающих свой вклад в скорость термофоретического движения на величину ит крупных частиц. В случае движения чистых капель эффекты Ег§ь, ~ РС8Ь) и капель растворов >~ ^ас ) вызывают движение частицы в направлении противоположном вектору (УТ^ (в сторону падения температуры). Такое действие указанных эффектов в литературе носит название: «положительный термофорез». Эффект, пропорциональный РоТ ) вызывает движение частицы в сторону роста температуры и в литературе носит название: «отрицательный термофорез». Реактивный эффект Рр) в зависимости от внешних условий может быть как «положительным», так и «отрицательным».

Показано, что для капель растворов доминирующим эффектом является эффект, связанный с зависимостью поверхностного межфазного натяжения от концентрации растворенного вещества РаС ).

Показано, что для чистых капель в интервале температур от 293 К ДО 363К доминирующим эффектом является эффект, связанный с зависимостью поверхностного межфазного натяжения от температуры РоТ).

5. В главе III проведены численные оценки относительных вкладов объемного потока энтальпии и эффекта Дюфура в скорость термофореза крупных частиц. Показано, что учет влияния объемного потока энтальпии и эффекта Дюфура не оказывает заметного влияния на скорость термофореза крупных частиц (11=30 мкм).

Максимальные значения относительных вкладов объемного потока энтальпии и эффекта Дюфура в скорость термофореза крупных чистых капель (Я=30 мкм) составляют 6% и 0,61%, соответственно. Максимальные значения относительных вкладов объемного потока энтальпии и эффекта Дюфура в скорость термофореза крупных капель растворов (Я=30 мкм) составляют

8-10% и 10-12%, соответственно. Значения относительных вкладов объемного потока энтальпии и эффекта Дюфура в скорость термофореза крупных капель-частиц зависят внешних условий и концентрации растворенного вещества в капле.

Максимальное значение относительного вклада эффекта Дюфура в скорость термофореза крупных твердых частиц составляет 0,08%.

Поэтому в реальных условиях влиянием данных эффектов можно пренебречь.

6. Показано, что скорость термофоретического движения жидких капель и твердых частиц зависит от наличия объемной термодиффузии в смеси к^). Наибольшее влияние объемная термодиффузия оказывает на составляющую реактивного эффекта. Для высокотеплопроводных частиц скорость термофореза, вычисленная с учетом объемной термодиффузии не равна нулю, за счет влияния реактивного эффекта.