Введение к работе
Актуальность проблемы.
В настоящее время одной из главных проблем механики аэродисперсных систем является проблема теоретического исследования движения капель, взвешенных в неоднородных по температуре и концентрации газах и газовых смесях.
Капли различных жидкостей и капли растворов играют огромную роль в технологических процессах, связанных с выбросами газовых потоков с содержащимся в них капельными фракциями, метеорологии, медицине, сельском хозяйстве, транспорте и многих других отраслях народного хозяйства. Сложность объекта исследования и наличие целого комплекса физических явлений, сопровождающих движение таких капель в газах, требует тщательного теоретического анализа с привлечением гидрогазодинамических уравнений переноса, учет явлений теплопроводности и диффузии, как в газовой, так и конденсированной фазе.
Большой вклад в развитие теории движения капель в неоднородных по температуре (термофорез капель) и концентрации (диффузиофорез) внесли работы проф. Яламова Ю. И. и его школы (Щукин Е. Р., Гайдуков М. Н. и др.).
Особое значение имеет развитие теории термодиффу-зиофореза так называемых «летучих» аэрозольных частиц, т. е. частиц, на поверхности которых имеет место фазовый переход вещества, из которого они состоят. Основы теории термо-диффузиофореза летучих аэрозольных частиц, движущихся в гидродинамическом режиме (такие частицы обычно называют крупными и умеренно крупными), были заложены в ранних работах автора данной диссертации (см.
Ш-[8]).
Параллельно с этим был проведен анализ влияния термодиффузионных эффектов и поправок по кривизне поверхности аэрозольных частиц на скорость их переноса в неоднородных газах [9]—[13].
Однако теории для летучих частиц были построены или для капель чистых веществ, или для капель слабых растворов, в которых относительная концентрация молекул растворенного нелетучего вещества значительно меньше единицы. Вопрос же о теории термо-диффузиофореза капель концентрированных растворов долгое время оставлся открытым. Причем стояла острая необходимость построения теории не только для крупных, но и для умеренно крупных, капель.
Построение последней теории в свою очередь невозможно без корректной постановки газокинетических граничных условий на поверхности раздела капля — внешняя бинарная газовая смесь.
Цель работы.
Цель диссертационной работы состоит:
а) в обосновании и построении наиболее полных гра
ничных условий на поверхности умеренно крупных капель
концентрированных растворов, находящихся в неоднород
ных по температуре и концентрации бинарных газовых сме
сях;
б) в построении математической, гидродинамической
теории термофореза и диффузиофореза крупных и умерен
но крупных капель концентрированных растворов, на поверх
ности которых имеет место фазовый переход растворителя,
при этом окружающая капли среда — бинарная газовая
смесь.
Научная новизна полученных результатов.
Развито новое научное направление — гидродинамическая теория термофореза и диффузиофореза летучих аэрозольных частиц, начиная с ранних работ автора диссертации [1]—[8], в которых были заложены физические основы теории для однокомпонентных капель, и, кончая более поздними статьями, в которых была развита новая теория тер-мо-диффузиофореза крупных и умеренно крупных капель концентрированных растворов, включающая в себя, как частные случаи, все известные ранние теории термофореза и диффузиофореза и справедливые при любых относительных концентрациях растворенного в каплях вещества [14]—[24]. Необходимо отметить, что ряд частных случаев, следующих из общей теории капель концентрированных растворов, также был получен и опубликован автором данной диссертации вместе с теоретическим анализом возможных приложений теории (см. [24]—([37]).
При построении теории термо-диффузиофореза умеренно крупных летучих капель растворов (и чистых капель) была разработана автором диссертации теория скачков температуры и концентрации в бинарной газовой смеси вблизи поверхности жидкости, с учетом термодиффузионных эффектов и при наличии перпендикулярных к поверхности градиентов температуры и концентрации [24], [38] — [40]. Научная новизна здесь выражается в том, что на базе решений системы уравнений Больцмана в слое Кнудсе-на был использован для нахождения указанных скачков модифицированный метод Максвелла. Последнее обстоятельство позволило получить более строгие, чем у других 4
авторов, выражения для скачков температуры и концентрации, которые были затем использованы для построения теории термофореза и диффузиофореза умеренно крупных летучих капель концентрированных растворов.
Практическая значимость работы.
Результаты, полученные в диссертации, могут найти применение:
а) при разработке высокоэффективных аэрозоль
ных фильтров;
б) при постановке и анализе экспериментов с жидки
ми летучими аэрозольными частицами;
в) в химической технологии;
г) в медицине и животноводстве при использовании ле
карств в аэрозольном состоянии;
д) в сельском хозяйстве при опылении вредителей аэро
зольными препаратами и др.
Апробация работы.
Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на X Всесоюзной конференции по актуальным вопросам испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем (г- Одесса, 1970 г.); Межвузовской научной конференции (г. Кировакан, 1971 г.); II Всесоюзной конференции по применению аэрозолей в народном хозяйстве (г. Одесса, 1972 г.); Семинарах кафедры теоретической физики МОПИ им. Н. К. Крупской (Москва, 1976 г., 1978 г., 1979 г., 1981 г., 1983 г.); III Всесоюзной конференции по аэрозолям (Ереван, 1977 г.); XIII Всесоюзной конференции по вопросам испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем (г. Одесса, 1979 г.); Конференциях преподавателей физического факультета МОПИ им. Н. К. Крупской (Москва, 1978 г., 1979 г., 1982 г., 1983 г.); Конференции преподавателей физико-математического факультета Кировакан-ского педагогического института (г. Кировакан, 1970 г.); Конференциях преподавателей физического факультета ЕрПИ им. X. Абовяна (Ереван, 1978 г., 1979 г., 1980 г., 1982 г., 1986 г-, 1987 г.); IV Всесоюзной конференции по аэрозолям (Ереван, 1982 г.).
На защиту выносятся:
1. Новые граничные условия на поверхности крупной летучей капли концентрированного раствора, взвешенной в неоднородной по температуре и концентрациям бинарной газовой смеси, с учетом фазового перехода растворителя капли.
2. Вывод и анализ новой формулы для скорости термофореза крупных летучих капель концентрированных раство-
,5
ров, включающая в себя все известные ранее более частные теории термофореза и справедливая при любых (от 0 до 1) относительных концентрациях растворенного в каплях вещества.
-
Новая теория диффузиофореза крупных капель концентрированных растворов в бинарных газовых смесях, с учетом фазового перехода на поверхности капель и внутренних течений.
-
Обобщенная теория термо-диффузиофореза для крупных летучих капель концентрированных растворов, находящихся в перекрестном поле градиентов температуры и концентрации в бинарной газовой смеси, с учетом термодиффузионных эффектов.
5. Получение новых выражений для скачков темпера
туры и концентраций в бинарной газовой смеси вблизи по
верхности жидкости газокинетическим методом, являющимся
дальнейшим развитием известного метода Максвелла.
-
Новый комплекс граничных условий, необходимых для построения теорий термофореза и диффузиофореза умеренно крупных летучих капель концентрированных растворов в бинарной газовой смеси, содержащих все линейные по числу Кнудсена эффекты, связанные с кривизной поверхности, барнеттовским вкладом и потоками массы и тепла, растекающимися в слое Кнудсена у межфазной границы.
-
Новая теория термо-диффузиофореза умеренно крупных летучих капель концентрированных растворов (режим со скольжением и скачками) в бинарных газовых смесях, охватывающая все ранее известные теории термофореза и диффузиофореза умеренно крупных аэрозольных частиц.
-
Вывод о существенном влиянии растворенного в капле (крупной и умеренно крупной) нелетучего вещества на скорость ее термофоретического и диффузиофоретического движения.
Структура и объем диссертации: