Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследование течений концентрированных суспензий является актуальным для химической технологии, биологии, почвоведения, агрохимии и других разделов науки. Процессы течения коллоидных растворов используются также во многих отраслях промышленности, особенно в таких как пищевая, нефтедобывающая, нефтеперегонная, фармацевтическая. Моделирование процессов фильтрации через мембраны, представляющие собой концентрированную суспензию, направлено на решение различных экологических проблем.
Цель работы: изучение процессов течения концентрированных суспензий пористых частиц, исследование и оптимизация процессов фильтрации при наличии слоя концентрационной поляризации и динамической мембраны.
В соответствии с поставленной целью задачами работы являются:
постановка и решение краевой задачи о движении твердой сферической частицы, покрытой перистым слоем, в неограниченном объеме жидкости;
применение ячеечного метода Хаппеля и Бренера для исследования процессов течения в пористых средах с двумя масштабами пористости;
исследование влияния пульсаций давления на характеристики слоя концентрационной поляризации и динамической мембраны в процессе фильтрации;
исследование процесса микрофильтрации в плоском канале с образованием осадка при учете неньютоновских реологических свойств осадка.
Научная новизна. Впервые изучен процесс обтекания твердой сферической частицы покрытой однородным пористым слоем произвольной толщины, моделируемым по типу среды Бринкмана, с разными коэффициентами вязкости исходной жидкости и бринкмановской среды. Исследовано влияние параметров этого пористого слоя на силу сопротивления, действующую на композитную частицу.
Ячеечный метод Хаппеля и Бренера применен к исследованию сложно-пористой среды с двумя масштабами пористости. На основе полученной модели изучен процесс течения жидкости через концентрированную суспензию пористых неподвижных частиц. Вычислен коэффициент гидродинамической проницаемости указанной среды.
Изучено влияние пульсаций давления на процессы образования слоя концентрационной поляризации и динамической мембраны в процессе фильтрации. Показано,
что существуют режимы фильтрации при которых указанные слои имеют наименьшую толщину, что является оптимальным при разделении растворов.
Рассмотрен процесс течения в плоском канале суспензии и осадка с различными реологическими свойствами. Изучены случаи псевдопластического и дилатантного поведения осадка. Показано что в зависимости от приложенного давления псевдопластические и дилатантные реологические свойства осадка изменяют производительность мембраны и другие характеристики течения в разные стороны по сравнению со случаем ньютоновского осадка.
Практическая значимость. В результате исследования течений в концентрированных дисперсиях, которыми в частности являются мембраны, получены точные аналитические выражения для расчета таких важных практических характеристик мембран как гидродинамическое сопротивление и производительность. Исследованы процессы образования слоев концентрационной поляризации и динамических мембран. На основе этих исследований предложен способ оптимизации процессов фильтрации путем наложения пульсаций давления.