Влияние турбулентных пульсаций на движение и рост частиц конденсированной дисперсной фазы в двухфазных потоках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Методы описания турбулентных потоков.

1.2. Движение частиц коцценс1фованной дисперсной фазы в двухфазных турбулентных потоках.

1.3. Рост конденсирующихся частиц в турбулентных потоках.

1.4. Описание коагуляции в двухфазных потоках.

1.5. Потери имцульса на образование поверхности

раздела между фазами.

1.6. Постановка задачи.

2. ОСОБЕННОСТИ ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦ В ТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКАХ.

2.1. Появление поперечной миграционной скорости частиц в произвольных турбулентных потоках с поперечным сдвигом.

2.2. Модель возникновения поперечного движения частиц в турбулентном сдвиговом потоке.

2.3. Уменьшение интенсивности турбулентных пульсаций газа в присутствии частиц конденсированной дисперсной фазы.

3. РОСТ ЧАСТИЦ КОНДЕНСИРОВАННОЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ В ПОЛЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ.

3.1. Рост капель конденсированной дисперсной фазы в турбулентном поле температур с учетом истощения пара.

3.2. Расчет изменения монодисперсного спектра капель в турбулентном потоке.

4. УЧЕТ ПОЛЩЩСПЕРСНОСТИ ЧАСТИЦ И НАЛИЧИЯ У НИХ

МИГРАЦИОННОЙ СКОРОСТИ В НЕКОТОРЫХ ПРИЛОЖЕНИЯХ.

4.1. Особенности процесса коагуляции в турбулентных сдвиговых потоках.

4.2. Учет полидисперсности частиц при расчете потерь импульса в соплах.

ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ.

В В Е Д Е Н И Е Исследованиедвухфазных потоков является важной народнохозяйственной задачей. Турбулентные двухфазные потоки встречаются во многих областях науки и техники. И практически во всех важных для приложений случаях мы имеем дело с ними. Это.нахгример, течения в соплах, факелах реактивных двигателей, в камерах Щ1-генераторов, в паро- и трубопроводах, тепло- и массообменниках. Часто по технологическим щ>ичинам необходимо увеличение скорости неоущей среды, а это п р и в о д к турбулиэации потока. Особое место среди турбулентных двухфазных потоков занимают потоки, в которых дисперсионной средой является газ /чаще всего воздух/* Эти потоки рущественно по cBoeiQr поведению отличаются от потоков, где дисперсионной средой служит жцдкость. Действительно, в етои случае плотности дисперсной фазы /твердые частицы или жвдкие капельки/ и дисперсионной среды резко различны. При исследовании турбулентных дэухфазных потоков большое значение имеют размеры частиц дисперсной фазы, усредненные окороста частиц и потока, а также скорость скольжения частиц относительно потока /разность усредненной скорости частиц и газа/. Эти факторы, нгфяду с некоторыми дими, и определяют поведение основных характеристик двухфазных турбулентных потоков. Для разнообразных технологических процессов характерны, однако, большие.скорости движения частиц и газа,а также большие скорости скольжения. Размеры частиц коеденс1фованной фазы находятся в пределах 10" 10"н. Поэтоцу необходимо проводить расчет таких течений с учетом инерционнЕхх свойств частиц дисперсной фазы.Оуществзгют хорошо разработанные схемы расчета движения и коа1уляции частиц в соплах. Однако в них цринято, как правило, одномерное цриближение [З3-3б] Не учитывается также турбулентное движение газовой среда. Сравнительно неполно разработан и вопрос учета инерционных свойств частиц. Ряд расчетов проведен для монодасперсных частиц, хотя все опытные данные сввдетельстцуют о полидисперсности спектра, особенно в турбулентном потоке [34,74] Исследование турбулентных двухфазных потоков с поперечным сдвигом привело к выявлению нового ввда движения частиц их миграционного смещения. Одаако подробноцу исследованию подверг ся лишь случай моногармоиических цульсаций скорости газа [53] Вопрос об общем алгоритме расчета этой скорости и связи её с вксперинентально измеримыми величинами не рассмотрен. Недостаточно полно разработана также схема расчета массообмена частиц в турбулентном потоке. Шеющиеся метода расчета разрабатывались, как правило, применительно к запросам метеорологии (стохастическая конденсация) и не включают учета инерционных свойств частиц. В с ш этого подобные метода расчета плохо подходят для расчетов конденсации и испарения в высокоскоростных турбулентных двухфазных потоках. Для таких потоков ограничиваются расчетом средних значений радиусов. Из экспериментов известно, что частицы уменьшают интенсивность цульсаций скорости газа в потоке. Но метода расчета этого уменьшения еще только разрабатываются. При этом учитываются, как правило, только цльсационные составляющие движения частиц. Наличие у частиц миграционной скорости должно привести к дополнительному уменьшению интенсивности щгльсаций скорости газа, На некоторые из перечисленных выше вопросов автору удалось дать ответ.Предложен общий метод нахоедения миграционной скорости движения частиц конденсированной фазы в турбулентных сдвиговых потоках* На модели турбулентного сдвигового течения рассмотревна начальная стадия этого цроцесса для слогчая частиц со скольжением* В работе приведены оценки уменьшения интенсивности щгльсаций скорости газа из-за сообщения частицам миграционной скорости* Выведены уравнения роста и дисперсного состава частиц с учетом щгльсаций температуры газа. В уравнениях учтены скорость скольжения частиц и основные характеристики турбулентности. Получены аналитические выражения для спектра радщгсов, дисперсии в приближении гауссовых щгльсаций пересщения для системы начально монодисперсных частиц. Исследованы изменения, вносимые учетом мигращонной скорости частиц в процесс их коахуляции. Показано, что ато приводит к неодномерности и неоднородности процесса и установлению нового динамического равновесия коахуляция дробление. Проведено обобщение метода расчета потерь имщгльса сопла на образование поверхности

Основные результаты работы оцубликованы в /98 - 104J .

1. Климонтович Ю.Л. Статистическая физика. М.: Наука, 1982,608с.

2. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гццромеханика.Ч.1. М.: Наука, 1965, 639с.

3. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гвдромеханика.Ч.2. М.: Наука, 1967, 720с.

4. Хинце И.О. Турбулентность. М.: Физматгиз, 1963, 680с.

5. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, I960, 715с.

6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: Гос.-изд. технико-теоретич. лит., 1954, 795с.

7. Марсден Д. Попытка установить соотношение между уравнениями Навье-Стокса и турбулентностью. В кн.: "Странные аттракторы". М.: Мир, 1981, с. 7 20.

8. Гольдштик М.А. Динамические, равновесные и потоковые структуры в турбулентности. В кн.: "Структурная турбулентность". Новосибирск, ИГ СО АН СССР, 1982, с.5-12.

9. Странные аттракторы. М.: Мир, 1981, 253 с.

10. Монин А.С. 0 природе турбулентности. УФН,1978,т.125, вып. I, с. 97-112.

11. Рабинович М.И. Стохастические колебания и турбулентность. УФН, 1978, т.125,вып.1, с. 123-168.

12. Структурная турбулентность. Под ред. М.А.Гольдштика. Новосибирск, ИГ СО АН СССР, 1982, 166с.

13. Лоренц Э.Н. (1963 г.) Детерминированное непериодическое течение. В кн.: "Странные аттракторы", М.: Мир, I98I,c.88-II6.

14. Рюэль Д., Такенс Ф. (1971 г.). О щицюде турбулентности.В кн.: "Странные аттракторы" М.: Мир, 1981, с. II7-I5I.

15. Гольдштик М.А., Штерн В.Н. К теории структурной турбулентности. Докл. АН СССР, 1981,т.257,№6, с. 1319-1322-.

16. Турбулентность: Принципы и применения. Под ред. У.Фро< ста, Т.Моулдена. М.: Мщ>, 1980, 535с.

17. Турбулентность. Под ред. П. Бредшоу. М.: Машиностроение, 1980, 343с.

18. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости цри очень больших числах Рейнольдса. -Докл. АН СССР, 1941, т.ЗО, № 4, с. 299-303.

19. Колмогоров А.Н. Рассеяние энергии при локально изотропной турбулентности.-Докл. АН СССР,1941, т.32,с. 19-21.

20. Обухов А.И. Течение Колмогорова и его лабораторное моделирование.-Усп. мат. наук, 1983, т.38, № 4, (232).

21. Довженко В.А., Обухов A.M., Пономарев В.М. 0 генерации вихрей в аксмально-симметричном сдвиговом течении. Изв. АН СССР, МЖГ, 1081, № 4, с. 27-36.

22. Борисов А.Г., КУзнецов В.Ф., Расщупкин В.И. Экспериментальное исследование крупномасштабной структуры неоднородной турбулентности.-Изв. АН СССР, МЖГ,1982,№ 5, с.31-37.

23. Репик Е.У., Соседко Ю.П. Спектральное исследование квазиупорядоченной структуры течения в турбулентном пограничном слое.-Изв. АН СССР, МЖГ, 1982, № 3, с. 10-17.

24. Лойцянский Л.Г. Наследственные явления в турбулентных движениях. Изв. АН СССР,МЖГ, 1982,№2, с. 5-19.

25. Цескис А.Л. 0 двумерной турбулентности. ЖЭТФД982, т.83, вып. I, с. 176-182.

26. Латышев А.В., Орданович А.Е. 0 моделировании упорядоченных структур в открытых турбулентных потоках, Изв.АН СССР, МЖГ, 1981, № 4, с. 45-52.

27. Coy С.Л. Гидродинамика многофазных систем. M.: Мир, 1971, 536 с.

28. Бусройд Р. Течение газа со взвешенными частицами. М.: Мир, 1975, 378с.

29. Coy С.Л. Динамика заряженных суспензий. В кн. ^Реология суспензий". М.: Мир, 1975, с, 140-284.

30. Ckao ВТ.Ти? ieh-b Spori fe ha.$п<<K?t pdziicles. Li* clu£t.'4e Su? ргьс1С*ьчOi+ei -ъе tcltiscbes У ьуе " Cttcki'v, 196% ВVi 4-Z, S.

31. Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Течения газа в соплах.М.: изд-во МГУ, 1978, 351с.

32. Стернин Л.Е. Основы газодинамики двухфазных сред, в соплах. М.: Машиностроение, 1974, 212с.

33. Сверхзвуковые двухфазные течения в условиях скоростной неравновесности частиц. Под ред. В.Е.Накорякова. Новосибирск.; Наука, 1980, 158с.

34. Салтанов Г.А. Сверхзвуковые двухфазные течения.Минск.: Вышэйшая школа, 1972, 480с.

35. Фортье А. Механика суспензий. М.: Мир, 1971, 264с.

36. Шрайбер А.А. Турбулентная диффузия мелких частиц дискретной фазы в потоке газовзвеси. В кн.: "Турбулентные двухфазные течения". Таллин. ИТЭФ АН ЭССР,1976,с.21-33.

37. Вознякевич Е.В., Номофилов Е.В. Диффузия тяжелых сферических частиц в турбулентном потоке.-Изв. АН СССР, MKT,1979, № 6. с 142-144.

38. Зубарев Д.Н. Статистическая тервдинамика процессов турбулентногоо переноса. ТМФД982, т.53, № 1, с. 93-107.

39. Сутугин А.Г. Опыт классификации и систематизации аэрозолей. Коллоид.ж.,1982, т.44, № 3, с. 513-522.

40. Зуев Ю.В., Лепешинский И.А. Математическая модель двухфазной турбулентной струи. Изв. АН СССР, MKT, 1981, № б,с. 69-77.

41. Нигматулин Р.И.Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978, 336с.

42. Абрамович Г.Н., Грфшович Т.А. Турбулентные струи несущие твердые или капельно-жидкие примеси. В кн.: "Парожидкост-ные потоки", Монск, ИГМО АН БССР, 1977, с. 155-175.

43. Г1фшович Т.А., Картушинский А.И., Лаатс М.К.,Леонов В.А. %льги А.С. Экспериментальное исследование турбулентной струи, несущей тяжелые примеси. Изв. АН СССР, МЖГ, 1981,№5,с.26-31.

44. Картушинский А.И., Леонов В.А., %льги А.С. Исследование влияния начальной разности скоростей фаз на развитие двухфазной струи. ШЖ, 1982, т.43, № 3, с. 371-374.

45. Абрамович Г.Н. 0 влиянии примеси твердых частиц или капель на структуру турбулентной газвой струи. Докл. АН СССР, 1970, т.190, № 5, с. 1052-1055.

46. Гиршович Т.А., Леонов В.А. Влияние разности скоростей фаз на турбулентную структуру стри, несущей тяжелые примеси.-Ш, 1982, т.43 ,№ 4, с. 541-548.

47. FPe-ithet /?.%). £Се>и S till; Пои it* ifo aihiO -S-phie.- Phys. feutcti Sujsp^, /9*?, vJ#,№= 9> РлН 2 : ВоиьЛагуla CL

48. Медников Е.П. Поперечная миграция частиц, взвешенных в турбулентном потоке. Докл. АН СССР, 1972, т.203, № 3,с. 243 246.

49. Горбис З.Р., Спокойный Ф.Е. Физическая модель и математическое описание процесса движения мелких частиц в турбулентном потоке газовзвеси. ТВТ, 1977, т.15, № 2, с. 399-408.

50. Медников Е.П. К теории явления турбулентной миграции аэрозольных частиц. Коллоидн. ж., 1979, т.41, № 2,с.250-257.

51. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. М.: Наука, 1981, 174с.

52. Щуке Н.А. Успехи механики аэрозолей. М.: ВИНИТИ, 1961, 159 с.55. 8(л сукаУь Si'ek/into {Сеть о/wioch гл& JtzviSZ с ok$ е\л iia iCob I^ -^цл. ft*jiovj. alact Pccfo., iesit VJ

53. HeiilonC ^okotoV yyi-tyisi idcitcb oitoa^, vtirtMfy i*-•itnitty luxiufeiice i* H irto-phci ss -luxPut*** jet. — Т?«и*affril з'.йрре.Оиеск, v.?*. p

54. Гавин Л.В., Наумов В.А., Никулин Н.М. Применение уравнений переноса энергии турбулентных пульсаций для расчета двухфазных струй. Изв. АН СССР, МЭГ, 1983, № I, с. 48 - 53.

55. Спокойный Ф.Е., Горбис З.Р. 0 цульсационных скоростях сплошного и дискретного компонентов дисперсного потока. Физика аэродисперсных систем, 1971, вып.5, Киев, КГУ, с. 117 121.

56. Горбис З.Р., Спокойный Ф.Е., Молин О.В. О результатах экспериментальных исследований характеристик турбулентности несущей среды в вертикальных потоках газовзвеси. В кн.: "Турбулентные двухфазные потоки". Таллин, ИГЭФ АН ХСР, 1976, с.5 20.

57. Фукс Н.А. Испарение и рост капель в газообразной среде. М.: Изд-во АН СССР, 1958, 91с.

58. Седунов Ю.С. Физика образования жидкокапельной фазы в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1972, 207 с.

59. Ko-la kt ■ С Puts. У.У. Гео w % wHb н*лс£е «oohJtvSCK 4сьи Ргоу. Clii о чра ье Cc^ I/. ^ 9M? Z ty p. 1*1- i96,

60. Ивченко И.П., %радян C.M. Об испарении сферических капель в бинарной газовой смеси при произвольных числах Кнуд-сена. Изв. АН СССР, МИГ, 1982,» I, с.112-118.

61. Лабунцов Д.А. Неравновесные эффекты при испарении и конденсации. В кн.: "Парожидкостные потоки". Минск.ИГМО АН БССР, 1977, с. 6-33.

62. Черняк В.Г.,Маргилевский А.Е. Кинетическая теория испарения и коцценсациоиного роста сферических частиц.- ТВТ,1980,т.18, № 5, с. 1032 1039.

63. Шапиро М.М. Тепло- и массообмен на поверхности испаряющейся жидкой капли. ТВТ, 1981. т.19,№6, с. I25I-I259.

64. Лугченко А.К., Тодес О.М. К испарению и конденсации аэрозолей.I. Физика аэродисперсных систем. 1974,вып.П,Киев--Одесса, Вшца школа, с.3-9.

65. Лугченко А.К., Тодес О.М. К испарению и ковденсации аэрозолей. II. Физика аэродисперсныхосистем. 1977, вып.16, Киев-Одесса, Вшца школа, с. 3-1I.

66. Беляев В.И. Метод Лагранжа в теории облачных процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1964, 119.

67. Степанов А.С. Конденсационный рост облачных капель в турбулизованной атмосфере. Изв. АН СССР,ФАО,1975, т.II, № I, с. 27 - 42.

68. Дунский В.Ф., Яцков Ю.В. Об испарении в турбулентной воздушно-капельной среде. Физика аэродисперсных систем. 1970,вып.3, Киев, ОГУ, с. 40-44.

69. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергоиздат, 1981, 471с.

70. Анисимов М.П., Черевко А.Г., Штейн М.С. Автогетерогенная и гетерогенная конденсация паров дибутилфталата. -Коллоид, ж., 1982, т.44, №3, с. 529 532.

71. Двухфазное моно- и полидисперсные течения газа с частицами. Под ред. Л.Е.Стернина. М.: Машиностроение, 1980, 172с.

72. Маслов Б.Н., Стернин Л.Е., Щрайбер А.А. Численное исследование особенностей двухфазного течения с коагуляцией и дроблением частиц в осесимметричных соплах Лаваля. Изв. АН СССР, МЖГ, 1982. № 3, с. 145 - 153.

73. Бабуха Г.Л., Шрайбер А.А. Взаимодействие частиц полидисперсного материала в двухфазных потоках. Киев, Наукова думка, 1972, 175с. .

74. Волощук В.М., Седунов Ю.С. Процессы коагуляции в дисперсных системах. Л.: Гидрометеоиздат, 1975, 320с.

75. Матвеев Л.Т., Динамика облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1981, 311с.

76. Волощук В.М. Кинетическое уравнение стохастической коагуляции в облаках. Метеоролог, и гидрология, 1977, № 5, с. 3-10.

77. Бутов В.Г., Васенин И.М., Дьяченко Н.Н. Модель движения полидисперсного конденсата с учетом случайных пульсаций скорости и температуры коагулирующих частиц. Изв. АН СССР, МЖГ, 1981, №■ 3, с. 33-39.

78. Федосеев В.А. О потерях импульса при течении образующейся аэродисперсной системы через сопло. Физика аэродисперсных систем, 1979, вып.19, Киев-Одесса, Вшца школа, с.75-77.

79. Федосеев В.А. О потерях импульса при течении образующейся аэродисперсной системы через сопло. Коллоид, ж.,1980,т. 42, № I, с.164 165.

80. Брэдшоу П. Введение в турбулентность и её измерение. М.: Мир, 1974, 278с.

81. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика.М.: Наука, 1979, 527 с.

82. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1981, 512 с.

83. Мальгота А.А. Исследование некоторых тепло- и электрофизических характеристик плазмы продуктов сгорания с конден-с*фованной дисперсной фазой. Автореферат дис. на соиск.уч. степени канд. физ.-мат.наук, Одесса, 1983, 16с.

84. Таблицы физических величин. Под ред. И.К.Кикоина.М.: Энергоатомиздат, 1976, 1006с.

85. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика, 4.1. М.: Наука, 1976, 584с.

86. Теплофизический справочник. Т.2,М.: Энергия, 1976,896с.

87. Михайлов А.С., Упоров И.В. Индуцированный щумом фазовый переход и перколяционная задача для флуктуирующих сред с диссипацией. 1ЭТФ, 1980, т.79,вып.5, с. 1958-1972.

88. Резибуа П., Де Ленер М. Классическая кинетическая теория жидкостей и газов. М.: Мир, 1980, 423с.

89. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. Под ред. В.С.Королюка. Киев: Наукова думка, 1978, 582 с.

90. Вукалович М.П., Ривкин С.А., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. М.: Изд-во Стандартов, 1969, 408с.

91. Кутателадзе С.С.,Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. Л.: Госэнергоиздат, 1958, 414с.

92. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978, 736с.

93. Mohkeknasfot %ге ef?€t-t о{ It* и?* <>4 At§>-iUir Скек. Pkyl.teLi., 4М, V. № I p. SoV-soz.

94. Гринин А.П., Куни М.Ф., Щекин А.К. Кинетика установления стационарного процесса гомогенной конденсации пересыщенного пара. ТМФ, 1982, т.52, № I, с. 127 - 137.

95. Чесноков М.Н., Шиян А.А. Расчет потерь имцульса при конденсации окислов. В кн.: "Физика горения и методы её исследования", Чебоксары, 1982, с. 17-20.

96. Шиян А.А. Некоторые особенности эволюции спектра дисперсных частиц в турбулентном потоке. Тезисы докл.межобластной научно-практической конф. молодых ученых поев. 60-летию образования СССР. Часть II. Одесса: ОГУ, 1983, с.169-171.

97. Шиян А.А. Модель возникновения поперечной миграции аэрозольных частиц в турбулентном потоке. ШЖ, 1983, т.44, № 4, с. 679.

98. Шиян А.А. Миграционное смещение частиц в турбулентных сдвиговых потоках. Тезисы докл. У1 всес. семинара по электрофизике горения. Караганда, 1983, с. 46-47.

99. Чесноков М.Н., Шиян А.А. Скорость миграционного смещения частицы в турбулентном потоке с поперечным сдвигом.- Коллоидн. ж., 1983, т.45, № 4, с. 722-725.

100. Шиян А.А. Особенности процесса коагуляции в турбулентных сдвиговых потоках. Деп. Укр.НИИ НТИ, № 626, Ук- Д83, 1983, 6с.

101. Шиян А.А., Чесноков М.Н. Влияние турбулентных цульсаций .температуры на конденсационный рост частиц.- Теплофизика высоких температур, 1984, т.22, № I, с. 181 184.