Введение к работе
Актуальность тематики исследования.
Изучение аэродисперсных систем является важной проблемой современной науки. Природные, антропогенные и технические аэрозоли являются предметом многочисленних исследований. В настоящее время продолжается разработка количественной теории , описывающей поведение аэрозолей. Исследование процессов испарения и роста аэрозольных частиц является составной частью описанной выше фундаментальной проблемы. Хотя аэродисперсные системы чаще всего являются нестационарными, при описании установившегося режима можно применять квазистационарные приближения. Аэродисперсные системы состоят из газообразной среды и взвешенных в ней частиц. Аэрозольные частицы различаются по форме , размерам , агрегатному состоянию. Если слой Кнудсена не оказывает значительного влияния на скорость испарения и роста , то аэрозольную частицу считают крупной. В противном случае её относят к умеренно крупным.
В реальных аэрозолях присутствуют частицы с различной формой поверхности. Их можно условно разделить на 4 основных класса: сферические частицы, правильные многогранники , пластинки и волокна. Форма частиц зависит от способа их получения и свойств вещества частицы. Частицы , возникающие при конденсации паров , чаще всего имеют форму , близкую к сферической . Капли с несферической формой поверхности образуются при конденсации молекул на поверхности смачиваемых твердых аэрозольных часгиц (частиц кальцита, кварца, большинства силикатов и окисных минераллов , галогенидов щелочных металлов) . Частицы , образующиеся при дроблении больших образцов (например, пыль) обычно бывают несферическими .
Теоретическое рассмотрение , как правило , ограничивается описанием процессов с участием сферических частиц . Кинетика испарения и роста несферических частиц может иметь существенные отличия. Поэтому построение подхода, позволяющего расчитывать основные характеристики процессов испарения и роста частиц с различной формой поверхности , представляется весьма актуальной задачей.
Процессы испарения и роста могут протекать как при малых, так и при больших относительных перепадах температуры в системе частица -газообразная среда . Аэрозоли, в состав которых входят частицы, испытывающие фазовый переход на поверхности, присутствуют во многих природных экосистемах (атмосферная облачность, туманы , промышленные выбросы, смог) и целом ряде промышленных процессов .
Теоретическое описание процессов испарения и роста аэрозольных частиц при больших перепадах температуры необходимо :
-при расчетах промышленных процессов , связанных с сушкой и охлаждением аэрозольных потоков;
-при конструировании двигателей внутреннего сгорания , жидкостно-реактивных двигателей, тепло- и массобменников, химических реакторов; -для описания технологических процессов , связанных с ректификацией; - при изучении процессов детонации в газожидкостных системах; -при моделировании процессов происходящих в облаках , туманах ,
в зонах просветления лазерным излучением
При малых концентрациях паров вещества частицы испарение и рост протекают в диффузионном режиме . В этом случае основными механизмами переноса молекул в газообразной среде являются диффузия и термодиффузия. При сравнимых величинах концентраций паров вещества частицы и молекул, не испытывающих фазовый переход на поверхности частицы, массовое (стефановское) движение газообразной среды может оказать заметное влияние на скорость процессов. Такой режим называют конвективным.
Процессы испарения и роста , протекающие при отсутствии внутреннего тепловыделения и лучистого теплообмена частиц с газообразной средой , называют свободными.
В настоящее время наиболее подробно теоретически исследованы диффузионные испарение и рост крупных сферических капель (преимущественно при малых относительных перепадах температуры). Проблема разработки подхода , позволяющего в рамках единых модельных представлений описывать диффузионные испарение и рост одиночных крупных частиц и ансамблей N крупных взаимодействующих частиц с произвольной формой поверхности , до последнего времени оставалась нерешенной ( даже в случае малых перепадов температуры ) . При больших перепадах температуры достаточно подробно не исследовался конвективный (стефановский) режим испарения и роста одиночных крупных и умеренно крупных аэрозольных частиц . Важной прикладной задачей представляется получение аналитических и полуаналитических соотношений , позволяющих с достаточной для практического использования точностью описывать тепло-и массообмен в окрестности одиночной частицы. Результаты , полученные в аналитическом виде , могут непосредственно применяться в математическом моделировании и инженерно-технических расчетах. Цель работы.
Целью работы является теоретическое описание процессов испарения и роста крупных и умеренно крупных аэрозольных частиц чистых веществ с различной формой поверхности, находящихся в двухкомпонентном газе при больших относительных перепадах температуры в системе частица - газообразная среда. Основные результаты . представленные к защите .
1. Получены соотношения, позволяющие описать свободные диффузионные
испарение и рост одиночных крупных частиц и конечной совокупности N
крупных взаимодействующих частиц с произвольной формой поверхности.
Теоретически и расчетно исследованы основные закономерности тепло- и
массобмена при испарении и росте ансамбля взаимодействующих частиц. В
случаях, допускающих интегрирование в квадратурах, получены аналитические
решения. Решение системы нелинейных уравнений переноса проведено при
произвольной зависимости коэффициентов молекулярной диффузии и
термодиффузии от температуры и линейной зависимости от концентраций
газообразных компонентов.
2. Получены обобщенные соотношения, описывающие диффузионные
испарение и рост одиночных крупных частиц с произвольной формой
поверхности при наличии внутреннего тепловыделения и лучистого теплообмена. В случаях, допускающих интегрирование в квадратурах, получены аналитические решения. Решение системы нелинейных уравнений переноса проведено при произвольной зависимости коэффициентов молекулярной диффузии и термодиффузии от температуры и линейной зависимости от концентраций газообразных компонентов.
3. Получены обобщенные соотношения , описывающие диффузионные и конвективные испарение и рост умеренно крупных частиц сферической формы как в свободном режиме, так и при наличии внутреннего тепловыделения и лучистого теплоообмена. Помимо молекулярной диффузии и термодиффузии учитывается эффект Дюфура-выделение тепловой энергии, обусловленное градиентами концентраций газообразных компонентов. В случаях, допускающих интегрирование в квадратурах, получены аналитические решения. Решение системы нелинейных уравнений переноса проведено с учетом зависимости коэффициентов молекулярной диффузии и термодиффузии от температуры и концентраций газообразных компонентов. Научная новизна.
Получены обобщенные соотношения , позволяющие описывать кинетику свободного диффузионного испарения и роста крупных одиночных неподвижных аэрозольных частиц и конечных совокупностей N крупных неподвижных взаимодействующих частиц с произвольной формой поверхности. Получены обобщенные выражения, описывающие тепло- и массоперенос в окрестности крупной одиночной аэрозольной частицы произвольной формы с учетом термодиффузии как в свободном режиме , так и при наличии внутреннего тепловыделения и лучистого теплообмена . Выведенны соотношения , позволяющие описывать диффузионные испарение и рост умеренно крупных частиц сферической формы как в свободном режиме ,так и при наличии внутреннего тепловыделения и лучистого теплоообмена. Помимо термодиффузии учтен эффект Дюфура.
Выведены обобщенные соотношения, описывающие основные характеристики конвективного испарения и роста крупных и умеренно крупных аэрозольных частиц сферической формы с учетом внутреннего тепловыделения , лучистого теплообмена, термодиффузии и эффекта Дюфура.
Получены аналитические выражения, описывающие диффузионные и конвективные испарение и рост крупных одиночных частиц с точностью, достаточной для непосредственного применения в математическом моделировании и инженерных расчетах.
Основные результаты диссертации могут применяться для описания испарения в смесях как с близкими, так и с сильно различающимися массами молекул. Практическое значение.
Практическое значение диссертации состоит в том , что развитые в ней представления о механизмах испарения и роста крупных и умеренно крупных аэрозольных частиц создают основу для получения более точных сведений о процессах , происходящих внутри аэродисперсных систем. Приведенные в диссертации результаты могут быть применены при моделировании процессов
детонации в газожидкостных системах, при оценках скорости испарения частиц в зонах просветления. Теоретические представления о механизмах испарения и роста частиц в перегретых и переохлажденных средах необходимы для расчета процессов , связанных с сушкой и охлаждением аэрозольных потоков, при конструировании двигателей внутреннего сгорания , жидкостно- реактивных двигателей, тепло- и массобменников, химических реакторов. Результаты проведенных исследований могут применяться для описания технологических процессов, связанных с ректификацией.
Математические методы , развитые в диссертации , могут использоваться при построении теории парофазного горения жидких капель и теории гетерогенного горения твердых частиц . Многие из приведенных в диссертации результатов получены в аналитическом виде, что определяет возможность непосредственного применения разработанных представлений для задач математического моделирования и прикладных расчетов. Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 8 научных работ. Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на Ш-й Международной научной конференции "Математические модели нелинейных возбуждений , переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах" (Тверь, 1998г.) , на теоретическом семинаре отдела аэрозолей ГНЦ НИФХИ им. Л.Я. Карпова, на семинарах и коллоквиумах в МГИУ, МЭИ , ОИВТ РАН . Структура и обьем диссертации.
Диссертационная работа состоит из общего введения , глав 1-3 , основных результатов и выводов, приложений . Содержание диссертации изложено на 139 страницах машинописного текста . В тексте имеется 27 рисунков. Список цитируемой литературы включает 90 наименований.
