Введение к работе
Актуальность работы. Под термином "смешение" понимается процесс образования новых концентраций в потоке неоднородной жидкости вследствие молекулярной диффузии.
При ламинарном течении двух жидкостей разной концентрации (слой смешения) граница между жидкостями в целом сохраняется и происходит увеличение объема жидкости занятого промежуточными концентрациями за счет молекулярной диффузии.
При турбулентном течении граница сильно искривляется и разрушается, моли одной жидкости проникают в толщу другой жидкости, происходит перемешивание и дробление молей. При этом суммарная площадь границы соприкосновения между молями разной концентрации существенно возрастает, а градиенты концентрации обостряются по сравнению с ламинарным течением. Это приводит к ускорению процесса смешения.
Информацию о количестве жидкости, смешавшейся на молекулярном уровне, несет функция плотности распределения вероятности (ФПРВ) концентрации.
Плотность распределения вероятности концентрации до начала турбулентного перемешивания представляет собой в одном слое 5-функцию при Со и ноль при остальных значениях концентраци, а в другом слое 6 - функцию при С\ и тоже ноль при остальных значениях концентрации. При турбулентном перемешивании в произвольную точку будут попадать моли с концентрацией Со, С[, а также моли, имеющие промежуточную концентрацию, которые образовались в результате действия молекулярной диффузии жидкости. В результате плотность распределения вероятности будет иметь вид: 5 - функция (но меньшая по величине) при Со и Сі и гладкая переходная функция между Со и С\.
С течением времени в результате действия молекулярной диффузии 5 - функции в плотности распределения вероятности при Со и Сі будут уменьшаются, а значение функции для промежуточных концентраций будет увеличиваться. Полностью однородно перемешанной жидкости будет соответствовать дельта функция при концентрации равной средней концентрации в объеме до начала турбулентного перемешивания.
К процессам, для которых важно знать значение функции распределения вероятности концентрации в различных точках потока в зависимости от времени, относятся образование опасных концентраций примесей в атмосфере и океане, процессы, происходящие в химических реакторах, при горении и т.д. Это связано с тем, что химическое реагирование (или вредное воздействие) имеет место только там, где жидкости смешались до необходимых концентраций на молекулярном уровне.
В ряде случаев примесь (например, соленость в океане) создает устойчивую стратификацию и на процесс турбулентного смешения при определенных условиях начинают влиять силы плавучести.
Прямые экспериментальные попытки измерения интенсивности турбулентного смешения достаточно редки, а трактовка результатов таких экспериментов достаточно сложна.
Для расчетов потоков где важную роль играет процесс турбулентного смешения в течение ряда лет развивается подход, основанный на решении уравнения для совместной функции плотности распределения пульсации скорости и концентрации. Однако для построения адекватных математических моделей требуются дополнительные данные о процессе турбулентного смешения, особенно при влиянии сил плавучести.
Таким образом, актуальность экспериментального исследования процесса турбулентного смешения в жидкости переменной плотности при воздействии сил плавучести обусловлена малой изученностью процесса и необходимостью построения адекватных математических моделей смешения.
Цель работы. Изучение процесса турбулентного смешения при воздействии сил плавучести, определение интегральной величины интенсивности турбулентного смешения, а также тестирование применимости метода ФПРВ для расчета такого класса течений.
Методы исследования. В работе использовались методы лабораторного моделирования, оптической диагностики прозрачных сред и метод численного моделирования.
Для определения интенсивности турбулентного смешения используется способность устойчиво стратифицированной жидкости восстанавливать стратификацию после перемешивания. Отличие конечного распределения плотности от начального является мерой интенсивности турбулентного смешения.
Научная новизна. Впервые проведено систематическое экспериментальное исследование зависимости интегральной величины интенсивности турбулентного смешения при затухании турбулентности в двухслойной стратифицированной по плотности жидкости при различных параметрах турбулентности и величинах перепада плотности, а также проведено тестирование применимости метода ФПРВ для описания эволюции турбулентности жидкости переменной плотности в поле сил тяжести с помощью полученных экспериментальных данных и данных других авторов.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты могут быть использованы для оценок интенсивности турбулентного смешения в нестационарных турбулентных потоках, возникающих в океане, атмосфере, технологических процессах и при горении, а также для построения и проверки математических моделей турбулентного смешения в среде переменной плотности при наличии силы тяжести.
Достоверность полученных результатов. Полученные результаты основываются на строгом соблюдении методов моделирования в
механике жидкости, оценок точности измерений, сравнении полученных результатов с данными других авторов, а также результатами численного расчета.
На защиту выносятся:
-
Экспериментальная методика измерения интегральной интенсивности турбулентного смешения.
-
Экспериментальное обнаружение различных режимов деформации плотностного фронта при перемешивании двухслойной жидкости тур-булизирующей решеткой.
-
Результаты экспериментального исследования турбулентного смешения в двухслойной стратифицированной жидкости в поле сил тяжести.
-
Результаты сравнения численного расчета эволюции турбулентности за решеткой при помощи метода ФПРВ с экспериментом автора и другими экспериментальными данными.
Апробация работы и публикации. Основные результаты опубликованы в 3 статьях и докладывались на VI Всесоюзном совещании по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений (Таллин, 1989), на III Всесоюзной школе-семинаре.: "Методы гидрофизических исследований" (Калининград, 1989), на XXIV симпозиуме по горению (Сидней, 1992) и на IV международном симпозиуме по стратифицированным течениям (Гренобль, 1994).
Личный вклад автора. Разработана методика определения интегральной величины интенсивности турбулентного смешения. Разработан и создан измерительно-вычислительный комплекс для проведения экспериментов, сбора и обработки данных. Проведены экспериментальные исследования и численные расчеты затухания турбулентности за решеткой в двухслойной устойчиво стратифицированной жидкости.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 82 страницах машинописного текста, включая 22 рисунка на 15 страницах. Текст
диссертационной работы состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы (112 наименований).