Введение к работе
Актуальность проблемы. Нестационарные пространственно-многомерные течения однофазных сред (жидкостей, газов) и многофазных дисперсных систем (газовзвесей и порошкообразных материалов) широко встречаются в природе и современной технике. Такие течения, в частности, реализуются в условиях свободной конвекции жидкости или газа в замкнутых и открытых объемах, при взрывах в запыленной газовой среде, при движении сыпучих и порошкообразных материалов в трубах, пневмотранспортных магистралях и др.
Изучение процессов конвективного теплообмена в жидкостях и газах ^ имеет большое научное и прикладное значение. В частности, изучение процессов конвекции в жидкости необходимо в синергетике и теории гидродинамической устойчивости для более глубокого понимания динамического поведения жидкостей. Процессы конвекции представляют интерес и при расчете различных теплообменников, трубопроводов, водоводов, а также при разработке систем вентиляции и кондиционирования воздуха в помещениях.
Большой интерес представляет исследование свободной конвекции воды, т.к. конвективное движение воды отличается от движения обычных жидкостей тем, что вода имеет немонотонную зависимость плотности от температуры с . максимумом около 4 С, что приводит к пространственной неоднородности свойств теплового расширения воды. Это обстоятельство несколько отличает процессы конвективных движений воды от аналогичных процессов в других жидкостях и может привести к существенному отличию структур течения и тепловых потоков, чем в обычных жидкостях и, поэтому, заслуживает этдельных исследований.
Знание закономерностей нестационарных волновых течений газа со ззвешенными в нем твердыми инертными или реагирующими дисперсными истицами актуально при разработке систем пожаро- и взрывобезопасности различных технологических установок. В частности, важным аспектом шляется знание критических условий возникновения и эволюции волн етерогенной детонации в пневмотранспортных установках при авариях и шределение возникающих при этом динамических нагрузок. Проблема ізучения волновых процессов в пористых и насыпных средах актуальна при тределении напряжений на элементы технических сооружений, покрытых лоями пористых или насыпных сред; при определении местонахождения алежей полезных ископаемых в сейсморазведке, и др.
Приведенные выше вопросы, которым посвящена диссертация, ;арактеризуются черезвычайной сложностью теоретического и кспериментального исследования. В этой связи в качестве математического ппарата в диссертации используются, в основном, численные методы, озволяющие на основе многомерных уравнений Навье-Стокса и уравнений инамики многофазных сплошных сред производить математическое і
моделирование медленных гидродинамических конвективных течени жидкости в условиях воздействия температурных полей, а так» быстропротекающих газодинамических процессов в химически инертных реагирующих смесях газа и твердых частиц.
Целью работы является численное исследование стационарных нестационарных свободно-конвективных движений воды в трехмерно полости прямоугольной формы; ударно-волновых и детонационных процессо в инертных и реагирующих сжимаемых средах (газовзвесях и порошках).
Научная новизна работы состоит в следующем:
Исследована динамика свободно-конвективного движения воды в замкнуты
объемах прямоугольной формы с учетом инверсии плотности. Изучен]
, /структуры конвективных течений илроцессы теплообмена в.зависимости о геометрической формы полости, числа Грасгофа, положения точки инверси плотности, ориентации полости относительно вектора силы тяжести И Д{ Обнаружены автоколебательные режимы конвекции. Разработа упрощенный квазидвумерный подход к расчету тепловых потоков в полост и определены границы его применимости. Определена оптимальная форм полости для обеспечения максимальной теплоотдачи.
Разработана математическая модель двумерного волнового движени полидисперсной инертной и реагирующей столкновительной газовзвеси непрерывной функцией распределения частиц по размерам. Показан удовлетворительное согласование расчетных и экспериментальных данны: по распространению ударных волн в слоях полидисперсной газовзвеси ударной трубе и их отражению от твердой стенки.
Исследована волновая динамика процессов ударного инициировани гетерогенной детонации в пространственно-неоднородной моно- илі полидисперсной газовзвеси унитарного топлива в трубе. Определен! критические параметры инициирования смеси.
Произведен численный и аналитический анализ динамических волновьг процессов в экранирующих слоях порошкообразной среды. Изучені поведение напряжения на экранируемой стенке от параметров насыпнрп слоя порошка. Детально анализируется роль различных сил, межфазноп взаимодействия при формировании волн в двухфазной порошкообразно: среде.
Практическая значимость работы заключается в созданиі
математических моделей и вычислительных комплексов для расчето:
многомерных гидрогазодинамических процессов в однофазных и многофазны:
средах с учетом фазовых переходов. Результаты работы могут быт;
использованы при создании систем безопасности пневмотранспортны:
установок по перекачке диспергированных порохов, при определениі
воздействия ударных волн на стенки, покрытые слоем пористой илі
у порошкообразной среды, при проектировании теплообменных устройств
использующих в качестве рабочего тела воду. ~~
Достоверность результатов работы подтверждается физической непротиворечивостью используемых моделей сплошных или дисперсных сред; решением тестовых задач, имеющих известные аналитические и численные решения; сопоставлением численных расчетов с экспериментальными данными, а также с расчетными данными других авторов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах по механике многофазных сред под руководством академика РАН Р.И. Нигматулина и профессора А.А. Губайдуллина в Институте механики многофазных систем СО РАН (Тюменском филиале ИТПМ СО РАН); на семинарах чл.-корр. РАН В.М. Фомина и профессора А.В. Федорова в ИТПМ СО РАН; на семинаре под руководством чл.-корр. РАН В.В. Пухначева в ИГиЛ СО РАН; на Международной конференции "Метод крупных частиц" (Москва, 1996г.,1999г.); на 8-м Семинаре "Акустика неоднородных сред" (Новосибирск, 1998г.); на IV-x Лаврентьевских чтениях по математике, механике и физике (Казань, 1995г.); на Международной конференции "Indoor air quality and climate" (Япония, 1996г.); на Всероссийской научной конференции "Актуальные вопросы механики, электроники, физики Земли и нейтронных методов исследований" (Стерлитамак, 1997г.); на 2-й научно-методической конференции. ТюмГАСА (Тюмень, 1997г.); на Международной конференции "ICMAR-98" (Новосибирск, 1998г.); на Всероссийской научно-технической конференции "Моделирование технологических процессов бурения, добычи и транспортировки нефти и газа на основе современных информационных технологий" (Тюмень, 1998г.); на Второй национальной конференции по ' теплообмену (Москва, 1998г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано около 60 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав и списка литературы. Общий объем работы составляет 282 страницы и включает 180 страниц текста, 66 рисунков и библиографию, содержащую 272 наименования.