Введение к работе
Актуальность темы. Большинство технологических процессов в химической промышленности, в атомной и тепловой энергетике, в трубопроводном транспорте происходят при высоких температурах и давлении. Нарушение герметичности реакторов, каналов, емкостей приводит к течениям, сопровождающимся вскипанием (т.е. фазовыми переходами, и как следствие этого эффектами звукового запирания потоков).
Пузырьковая парожидкостная смесь всегда является перегретой по отношению к равновесной температуре, когда поверхность раздела между паром и жидкостью – плоская. За счет же действия капиллярных сил, давление в пузырьках выше давления жидкости. В частности, в воде при радиусах пузырьков порядка сотни нанометра, величина такого превышения давления может составлять десятки атмосфер. Как следствие этого, пузырьковая жидкость может оказаться неустойчивой средой. Оказывается, такая неустойчивость в ряде случаев может исчезнуть, если пузырьковые зародыши содержат некоторое количество газа, не растворяющегося в воде.
Для анализа возможных последствий аварий на атомных электростанциях, технологических установках, в трубопроводах с легкокипящими углеводородными системами очень важно знать, как изменяется давление в емкости, массовый расход кипящей жидкости в случае нарушения герметичности.
Поэтому для оценки последствий аварийной разгерметизации емкостей и каналов, заполненных высокотемпературными жидкостями под высоким давлением, весьма актуально создание математических моделей, позволяющих расширить теоретические представления об особенностях теплофизических и гидродинамических процессов в таких системах, и на их основе изучать нестационарные двухфазные течения.
Цель работы и задачи исследования.
Цель данной работы состоит в исследовании и создании математических моделей, расширяющих теоретические представления о теплофизических и гидродинамических особенностях процессов в системах, заполненных высокотемпературными жидкостями под высоким давлением, при сбросе давления.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
построение равновесных уравнений состояния жидкости, содержащей газовые зародыши с учетом капиллярных сил на межфазной поверхности, описывающих их поведение при снижении давления;
построение решений, описывающих неравновесное объемное вскипание;
теоретическое объяснение, наблюдаемого в опытах, процесса вскипания жидкостей, с заходом в метастабильную область.
Достоверность. Достоверность результатов диссертации основана на использовании фундаментальных законов термодинамики для двухфазных систем, корректным использованием уравнений механики сплошных сред и обусловлена количественным и качественным согласованием с экспериментальными данными, а также согласованностью с решениями других авторов в некоторых частных случаях.
Научная новизна работы. Впервые построено уравнение состояния жидкости, с учетом капиллярных сил, содержащая в емкости газовые зародыши при снижении давления в адиабатическом режиме. Показано, что такое уравнение имеет вид аналогичный изотерме Ван-дер-Ваальса. Предложено решение, описывающее переход из метастабильного состояния в равновесное двухфазное состояние.
Согласно этому решению процесс истечения при разгерметизации из каналов и емкостей, заполненных в исходном состоянии высокотемпературными жидкостями под высоким давлением, можно разделить на три этапа. На первом этапе, волна, распространяющаяся от открытого конца канала переводит жидкость в метастабильное состояние, в котором давление снижается ниже равновесного значения для исходной температуры. На втором этапе вскипания происходит опорожнение при изобарическом режиме в емкости. При этом перегретая жидкость в канале переходит в двухфазное парожидкостное состояние. На третьем этапе происходит опорожнение канала с эффектами звукового запирания.
Практическая значимость. Знание закономерностей истечения вскипающих жидкостей имеет большое прикладное значение для оценки последствий аварийной разгерметизации емкостей и каналов, покоящихся под высоким давлением, для оценки максимальных расходов через каналы, щели и для оценки характерных времен опорожнения.
Апробация работы. Результаты, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на семинарах кафедры математического анализа и прикладной математики, на научно-практических конференциях для преподавателей и студентов Бирского филиала Башкирского государственного университета, также на следующих конференциях и в научных школах:
на XV Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-15» (Кемерово, 2009);
на IV Региональной научно-практической конференции «ЭВТ в обучении и моделировании »(г. Бирск, 2009).
на V Международной научно-практической конференции «Образование, наука, инновации – вклад молодых исследователей» (г. Кемерово, 2010);
на научной конференции аспирантов и студентов «Наука в школе и вузе» (Бирск, 2010);
на XVI Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-16» (Волгоград, 2010);
на Российской конференции посвященной 70-летию акад. Р.И. Нигматулина «Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии» (Уфа, 2010);
на Российской научно-технической конференции, посвященной 85-летию со дня рождения член-корр. РАН.,д.т.н., профессора Р.Р. Мавлютова «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2011);
на Всероссийской научной конференции с международным участием «Дифференциальные уравнения и их приложения» (Стерлитамак, 2011);
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 98 страниц, включая 16 рисунков и список литературы, состоящей из 104 наименований.
