Введение к работе
Актуальность темы. Процессы теплообмена в холодной воде играют важную роль во многих природных явлениях и технологических процессах. В качестве примеров можно привести: образование и таяние льда в природных водоемах, процессы фазовых переходов в насыщенных влагой грунтах, эксплуатация систем водоснабжения в районах с холодным климатом, аккумулирование солнечной энергии, основанное на явлении фазового перехода и т. д.. Кроме того, важность изучения процессов теплопереноса в системах лед-вода связана с тем, что почти 71% поверхности Земли покрыто водой или льдом, которые существенно влияют на климат Земли.
Одним из основных механизмов переноса тепла, во всех приведенных выше примерах, является естественная конвекция. Естественная конвекция в холодной воде осложняется аномальной зависимостью плотности от температуры, т. е. плотность воды, имеет экстремум, а точнее максимум. Экстремум плотности возникает при низких температурах вследствие усиления связей в водороде и ослабления интенсивности теплового движения молекул. Пресная вода имеет экстремум плотности вблизи 4С. В соленой воде наличие и положение точки экстремума плотности зависит от концентрации соли. Аномалия плотности воды приводит к большему разнообразию конвективных течений, по сравнению с жидкостями, у которых плотность линейно зависит от температуры.
При решении проблем, связанных с естественноконвективным теплообменом в системах с фазовыми переходами, в настоящее время активно используются численные методы. В представленной работе, для моделирования процессов теплопереноса использовался метод
контрольного объема Патанкара - Сполдинга. Фазовые переходы моделировались методом энтальпии.
Целью данной работы являлось численное моделирование и исследование процессов естественноконвективного теплообмена в системах лед-вода. Рассматривались процессы как с фазовыми переходами, так и без них.
В работе защищаются результаты исследования следующих процессов:
-
Естественной стационарной конвекции воды вблизи /точки экстремума плотности в квадратной ячейке.
-
Охлаждения воды в прямоугольной полости, в интервале температур, включающем точку экстремума плотности.
-
Плавление льда в квадратной ячейке.
Во всех исследованных системах процессы естественной конвекции и фазового перехода происходили за счет разности температур на горизонтальных границах полостей.
Новизна данной работы заключается в следующем
-
На основе метода контрольного объема и метода энтальпии создана программа, позволяющая моделировать фазовые переходы при наличии естественной конвекции в жидкой фазе в прямоугольных полостях.
-
Получено, что в задаче о естественной конвекции воды в квадратной ячейке вблизи точки экстремума плотности возможно существование трех различных типов нетривиальных стационарных решений.
-
Проведено исследование влияния аномалии плотности на естественноконвективный теплообмен при охлаждении сверху горизонтального слоя воды.
»
-
Исследован процесс плавления льда в квадратной ячейке при подогреве снизу, в зависимости от начальной степени охлаждения льда.
-
Получено, что при определенных условиях, в системе лед-вода возможно существование режима автоколебаний. Проведено исследование характеристик режима автоколебаний.
Достоверность результатов. Для проверки, используемого в данной работе, программного обеспечения был проведен ряд тестовых расчетов. В качестве тестов рассматривались экспериментальные и теоретические, работы других авторов. Кроме того, полученные результаты, в тех случаях, когда это было, возможно, сравнивались с результатами ранее проведенных исследований.
Практическое значение работы. Результаты данной работы позволяют лучше понять процессы формирования термических режимов пресных водоемов. Они могут быть использованы при оценках степени влияния аномалии плотности, температуры поверхности льда, глубины слоя воды на структуру конвективных течений, распределение температуры, соотношение объемов твердой и жидкой фаз, тепловые потоки и т. д. в пресных водоемах.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на международной конференции Всесибирские чтения по математике и механике (Томск, 1997) и на International Conference on Fluid Engineering (Токио, 1997). Обсуждение результатов проводилось на семинарах Института механики многофазных систем СО РАН под руководством профессора А. А. Губайдуллина (Тюмень), на семинаре Института проблем механики РАН под руководством профессора В. М. Ентова (Москва), на семинарах кафедры прикладной математики
Сургутского государственного университета под руководством
профессора Г. И. Назина (Сургут).
По результатам диссертации опубликовано шесть печатных работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит: 130 страниц,. 71 рисунок, 1 таблицу, библиографию из 65 наименований.