Введение к работе
Актуальность темы. Проблема течения жидкости, сопровождаемое пристеночным вскипанием из-за гигантских тепловых нагрузок, приобретает все более нарастающий интерес. Это связано, прежде всего, с изучением механизмов, определяющих критические тепловые потоки в энергетических установках, а также с анализом условий безаварийной работы устройств, содержащих энергонапряженные элементы. Кроме того, в ряде случаев пристеночное кипение с образованием парового и газового подшипника представляет интерес с точки зрения снижения гидродинамического сопротивления. Такие ситуации возможны, в частности, при фильтрационном течении кипящих и газонасыщенных жидкостей.
В связи с проблемой разработки безопасных и экономичных способов консервации природных газов, а также в целях уменьшения объема парниковых газов и их последующего безопасного захоронения рядом исследователей предлагается подземная газогидратная консервация данных газов. Дело в том, что в газогидратном состоянии одну и ту же массу газа можно хранить при гораздо меньших давлениях и объемах. Однако, гидратообразование является медленным процессом. Для интенсификации процесса образования гидрата необходимо создавать условия, реализующие высокие удельные площади контакта газа и жидкости. Такие благоприятные условия создаются в пористых средах, где площади контакта принимают огромные значения. Благодаря тому, что равновесная температура фазовых переходов для газогидратов довольно сильно зависит от давления, образование и разложение газогидратов при воздействии на пористые среды тепловыми и силовыми полями возможно как по фронтальной поверхности, так и в объеме.
Цели работы. Для разработки научных основ технологических процессов, сопровождаемые пристеночными и фильтрационными течениями с фазовыми переходами, расширяющих теоретические представления о теплофизических и гидродинамических особенностях процессов перед настоящей работой поставлены следующие цели:
построить и развить теоретические модели пристеночного и фильтрационного течений, сопровождаемые фазовыми переходами;
проанализировать влияние интенсивности теплового воздействия и интенсивности инжекции газа на динамику гидродинамических и температурных полей в пристеночном слое и в пористой среде.
Научная новизна заключается в следующем:
решены автомодельные задачи об обтекании стенки жидкостью со вскипанием и вдувом газа и о закачке холодного газа в пористую среду, насыщенную газом и водой; построены аналитические решения данных задач, описывающие распределения основных параметров;
установлено влияние температуры, интенсивности и состава инжектируемой парогазовой смеси на образование парогазовой прослойки и на величины коэффициентов теплопередачи и сопротивления;
показано, что при инжекции холодного газа в пористую среду, насыщенную газом и водой, возможны различные режимы образования газогидрата, соответствующие формированию, как фронтальной поверхности, так и объемной области фазовых переходов;
получены критические условия, разделяющие разные режимы образования газогидрата.
Достоверность результатов диссертации основана на использовании фундаментальных уравнений теории ламинарного пограничного слоя и теории фильтрации многофазных систем, корректной теоретической постановкой задач, а также получением решений, непротиворечащих общим гидродинамическим и термодинамическим представлениям и согласующихся в некоторых частных случаях с результатами других исследователей.
Практическая ценность. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при разработке научных основ технологий хранения и консервации газа в пористых структурах, а также при разработке методов снижения лобового сопротивления и анализа безаварийной работы технологических устройств.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях и научных школах:
IV Региональная научно-методическая конференция «ЭВТ в обучении и моделировании» (Бирск, 2005);
Мавлютовкие чтения: Российская научно-техническая конференция, посвященная 80-летию со дня рождения чл.-корр. РАН Р.Р.Мавлютова (Уфа, 2006);
IX Всероссийский теоретический съезд по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006);
«VI Региональная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике, физике и химии» (Уфа, 2006);
15-ая Зимняя школа по механике сплошных сред (Пермь, 2007);
Тринадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВКНСФ-13) (Ростов-на-Дону, 2007);
VI Всероссийская научно-практическая конференция «ЭВТ в обучении и моделировании» (Бирск, 2007);
Всероссийская конференция «Механика и химическая физика сплошных сред» (26-28 июня, Бирск, 2007);
Всероссийская школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «фундаментальная математика и ее приложения в естествознании» (Уфа, 2007);
Четырнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВКНСФ-14) (Уфа, 2008);
Всероссийской научно-практической конференции «Обратные задачи в приложениях», (Бирск, 2008).
Всероссийской научно-практической конференции «Обратные задачи в приложениях», 19–20 июня 2008г. БирГСПА.
Семинар «Проблемы математики в промышленности и экономике» 30-31 октября г. Бирск, 2008г.
Пятнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВКНСФ-15) (Кемерово-Томск, 2009);
Кроме того, результаты работы докладывались на семинарах проблемной лаборатории математического моделирования и механики сплошных сред под руководством профессора С.М. Усманова и В.Ш. Шагапова.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 16 работах, в том числе, 1 научная статья в списке журналов, рекомендованных ВАК РФ. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 119 страницах и включает 30 рисунков. Список литературы состоит из 133 наименований.
