Введение к работе
Актуальность темы диссертации, В настоящей работе под двухфазной конвекцией понимается движение двухфазной среды в поле массовых сил, возникающее при неравномерном распределении концентрации дисперсной фазы в жидкости или газе. Достаточно широкий класс технологических и экологических задач сталкивается с необходимостью учета двухфазной конвекции. Так, например, в барботажных аппаратах поднимающиеся пузырьки вызывают движение жидкости; при осаждении примесей в искусственных или природных водоемах неравномерность концентрации примеси также влечет перемешивание жидкости; падающий дождь создает нисходящие потоки воздуха. Все эти эффекты необходимо учитывать при расчете двухфазных сред. Однако до настоящего времени наиболее разработан лишь алгоритм расчета конвективных явлений при дожде. В силу используемых допущений он имеет офанігіенную применимость. Остальные эффекты двухфазной конвекции учитывались путем поправочных коэффициентов к скорости осаждения облака частиц. Такой учет не позволяет полностью моделировать процесс и, к тому же, ограничена сфера его применимости. Разработка практически применимой математической модели, учитывающей основные физические процессы, и определяет актуальность темы диссертационного исследования.
Цель работы состоит в разработке математической модели конвекции двухфазных сред, вызванной разницей концентрации примеси. Эта цель реализована посредством математического описания процесса, разработкой на его основе численных алгоритмов и расчетом конкретных физических задач.
Научная новизна работы:
-
Разработана и обоснована математическая модель двухфазной конвекции в гравитационном поле, вызванной разностью концентрации дисперсной фазы.
-
На основе расчетов осаждения облака частиц угля в воде показано, что двухфазная конвекция существенно влияет на скорость и время осаждения частиц даже при небольших градиентах объемных концентраций последних.
-
Опровергнуто общепринятое мнение о том, что при объемных концентрациях облака частиц, меньших 1%, скорость осаждения облака не отличается от скорости осаждения индивидуальной частицы. Показано, что при гораздо меньших концентрациях эти скорости могут быть не просто неравными, а отличаться на порядки.
-
На примерах расчета двухфазной конвекции воздуха при проливном дожде и движения жидкости при барботаже показаны широкие возможности применения предлагаемой математической модели для решения различных задач.
-
На примере расчета отстойника промышленных вод показана практическая применимость полученной модели в проектировании очистных сооружений.
Досюверность представленных результатов обеспечивается применением широко известных и успешно реализуемых численных схем, параметрическими исследованиями полученной модели и сравнением результатов расчета с экспериментальными данными других авторов.
Практическая ценность работы. Математическое моделирование двухфазной конвекции может широко применяться в решении целого спектра технических и экологических задач. В настоящей работе показаны способы расчета некоторых из них: осаждение мелкодисперсной примеси в воде, барботажный процесс в жидкости, конвективное движение воздуха во время дождя. Аналогично могут решаться и другие задачи о переносе примеси в жидкости или газе. Алгоритм расчета проточного очистного отстойника, полученный с использованием моделирования двухфазной конвекции, может быть использован непосредственно при проектировании очистных сооружений. Материалы диссертационного исследования используются _jja__jj)H33iKQ^ техническОкГфакультете ТГУ при подготовке студентами курсовых и дипломных работ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель двухфазной конвекции и ее математическое обоснование с учетом принятых допущений;
-
Алгоритмы и результаты расчета задач, связанных с двухфазной конвекцией;
-
Методика расчета проточного отстойника жалюзийного типа, применяемого для очистки промышленных сточных вод.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции «Сопряженные задачи механики и экологии» (Томск, ТГУ, 1998), Всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, НИИПММ, 1998), XVI Международной школе-семинаре по численным методам механики вязкой жидкости (Новосибирск, ИВТ СО РАН, 1998), Всероссийской научной конференции молодых ученых «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, НИИПММ, 1999), Всероссийской научной конференции «Байкальские чтения по математическому моделированию процессов в синергетических системах» (г.Улан-Уде, 1999), VI Всероссийской научно-технической конференции «Механика летательных аппаратов и современные материалы» (Томск, ТГУ, 1999г.), Школе-семинаре «Современные проблемы физики и технологии» (Томск, СФТИ, 2000г.).
Публикации. Материалы диссертационного исследования опубликованы в семи печатных работах [5-11].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка использованной литературы из 88 наименований. Работа содержит 127 страниц и 30 рисунков.