Тонкослойные неизотермические течения двухфазных неньютоновских сред по проницаемым поверхностям Галимов Руслан Атласович

Введение к работе

Актуальность. В промышленной практике широкое применение находят аппараты, в которых реализуются неизотермические тонкопленочные течения рабочих сред в процессах фильтрования, тепломассообмена, диспергирования, смешения и т.д. ввиду их значительных преимуществ, в сравнении с традиционными аппаратами химической технологии и других отраслей промышленности. Для обработки высоковязких сред применяются аппараты, в которых поддерживают определенный температурный режим. При течении рабочей среды в виде тонкой пленки по поверхности аппаратов создаются сильно развитая межфазная поверхность и благоприятная термогидродинамическая обстановка, что способствует повышению производительности и улучшению качества обработки рабочих сред, интенсификации тепломассообмена. При расчете и конструировании разделяющих и фильтрующих аппаратов, диспергаторов, испарителей и др. важно учитывать влияние начального участка, температурных характеристик среды на гидродинамику течения, в пределах которого происходит формирование теплового и гидродинамического пограничного слоя. Исследованиям пленочных течений посвящены работы известных российских и зарубежных ученых: П.Л. Капицы (волновые пленочные течения), Л.П. Холпанова, В.Я. Шкадова, В.Н. Бабака, O.K. Matar, C.J. Lawrence, M. Rhodes (течения однофазных жидкостей), В.И. Байкова (течения неньютоновских жидкостей в изотермических и неизотермических условиях), Ф.Г. Ахмадиева, Р.И. Ибятова (изотермические течения двухфазных сред) и др. Однако неизотермические пленочные течения двухфазных неньютоновских сред изучены недостаточно.

В связи с этим, актуальной задачей, решаемой в диссертации, является построение адекватных математических моделей процессов неизотермических пленочных течений неньютоновских гетерогенных сред по различным поверхностям и тепломассообмена с использованием методов механики многофазных сред.

Объект исследования: тонкослойные неизотермические течения двухфазных неньютоновских сред по проницаемым поверхностям.

Предмет исследования: модели, методы и алгоритмы расчета неизотермических течений двухфазных неньютоновских сред.

Цель работы: разработка математических моделей тонкослойных неизотермических течений неньютоновских двухфазных сред по проницаемым поверхностям сложной конфигурации при различных режимах течения и их численная реализация.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Разработка математических моделей тонкослойных неизотермических течений двухфазных сред со сложным реологическим состоянием по проницаемым поверхностям сложной конфигурации при различных режимах течения.

2. Модификация метода поверхностей равных расходов для расчета тонкослойного неизотермического течения двухфазных неньютоновских сред по проницаемым поверхностям.

3. Разработка алгоритмов расчета и программного комплекса для численных (вычислительных) экспериментов неизотермических течений по конкретным поверхностям и проведение вычислительных экспериментов для их расчета.

4. Численная реализация математических моделей процессов фильтрования при пленочном неизотермическом течении двухфазных сред по наклонным и вращающимся проницаемым насадкам при различных режимах течения.

5. Оптимизация работы узлов фильтровального оборудования для разделения двухфазных неньютоновских сред в неизотермических условиях.

Методы исследования. Для решения обозначенных задач использованы методы механики многофазных сред, математического моделирования, теории численных методов, вычислительный эксперимент, методы многокритериальной оптимизации.

Достоверность полученных результатов диссертации подтверждается:

использованием общепринятых апробированных подходов к математическому моделированию термогидродинамических процессов в гетерогенных средах;

корректностью постановки задач на основе уравнений механики многофазных сред;

применением для решения задач современных методов вычислительной гидродинамики;

верификацией математической модели, т.е. совпадением полученных результатов вычислительного эксперимента в частных случаях с результатами, полученными другими методами, известными в научной литературе;

положительными результатами практического внедрения в ООО ИВЦ "Инжехим".

Научная новизна.

1. Построены математические модели процессов пленочного неизотермического течения двухфазных неньютоновских сред по проницаемым поверхностям сложной конфигурации при различных режимах течения.

2. Проведена модификация метода поверхностей равных расходов для расчета тонкослойного неизотермического течения двухфазных неньютоновских сред по проницаемым поверхностям.

3. Разработаны математические модели, алгоритмы и программы расчета процессов фильтрования при пленочном неизотермическом течении двухфазных суспензий со сложной реологией по проницаемым поверхностям в поле сил гравитации и по вращающимся проницаемым насадкам в поле центробежных сил.

4. Предложена методика расчета основных параметров рассматриваемых процессов течения и фильтрования суспензий и оптимизации работы узлов фильтровального оборудования.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в разработке методик расчетов неизотермических течений неньютоновских сред по проницаемым поверхностям, комплекса программ для их расчета на ЭВМ и в получении экономически полезного эффекта при внедрении результатов работы, подтвержденного актами о реализации. Разработанные математические модели процессов теплообмена и фильтрования при пленочном неизотермическом неньютоновском течении двухфазных сред по проницаемым поверхностям позволяют устанавливать основные закономерности исследуемого процесса, прогнозировать производительность и эффективность работы разнообразных фильтров и сформулировать рекомендации для практической реализации.

По проблеме диссертации опубликованы 18 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК МОН РФ; 14 публикаций в

материалах научных семинаров и конференций. Получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах: 60 Республиканская научная конференция по проблемам архитектуры и строительства (Казань, КазГАСУ, 2008); ХХII (Псков, 2009), ХХIII (Саратов, 2010), ХХIV (Саратов, 2011), XXVI (Нижний Новгород, 2013), XXVII (Тамбов, 2014), XXVIII (Ярославль, 2015) международные конференции "Математические методы в технике и технологиях"; XIX, XX International Congress of Chemical and Process Engineering (Praga, 2010, 2012); XIV Минский международный форум по тепло- и массообмену (Минск, 2012); 65, 66 и 67 Всероссийские научные конференции по проблемам архитектуры и строительства (Казань, КазГАСУ, 2013, 2014,2015).

Реализация результатов работы. Результаты исследований, полученные зависимости, составляют основу инженерной методики расчета широкого класса разделительного оборудования и позволяют оптимизировать основные характеристики процессов и элементов аппаратов, которые могут быть использованы при оптимальном проектировании фильтрующего и теплообменного оборудования, диспергаторов, смесителей и т.д. Некоторые результаты, предложенные рекомендации по оптимизации рабочих узлов фильтровального оборудования приняты к использованию на предприятии ООО ИВЦ "Инжехим" и в образовательный процесс при обучении аспирантов по специальностям 05.13.18 – «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», 05.17.08 – «Процессы и аппараты химических технологий» Казанского государственного архитектурно-строительного университета.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Математические модели процессов неизотермического пленочного течения неньютоновских двухфазных сред по проницаемым поверхностям различной конфигурации с учетом инерционных эффектов, переменности концентрации твердой фазы, вязкости и др. параметров процесса.

2. Модифицированный метод поверхностей равного расхода для расчета неизотермических пленочных течений двухфазных неньютоновских сред по проницаемым поверхностям, алгоритмы и программные продукты их расчета, результаты численных расчетов.

3. Математические модели процессов фильтрования двухфазных неньютоновских сред при пленочном неизотермическом течении по наклонным поверхностям и на вращающихся насадках с учетом инерционных эффектов, переменности концентрации в поле массовых сил.

4. Оптимизация работы элементов фильтровального оборудования при разделении двухфазных неньютоновских сред в неизотермических условиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и 5 приложений и содержит 152 страницы машинописного текста, 42 рисунка и 117 наименований литературы. Работа соответствует паспорту специальности 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ по следующим пунктам: