Введение к работе
Волновая динамика газожидкостной среды - новый, интенсивно развивающийся раздел механики гетерогенных систем. Газо- и паро-жидкостные смеси представляют собой нелинейную среду с внутренней структурой, которая является основным рабочим телом в энергетических установках, аппаратах химической технологии, криогенных системах и многих других различных элементов новой техники. Огромный вклад в развитие волновой динамики двухфазых сред внесли своими экспериментальными и теоретическими работами представители школы академика Накорякова В.Е.:Покусаев Б.Г., - Шрейбер И.Р., Кузнецов В.В., Гасенко В.Г., Огородников И.А., Малых Н.В., Прибатурин Н.А., Лежнин СИ., Донцов В.Е., Вассерман Е.С. и другие; и теоретическими работами представителии школы академика Нигматулина Р.И.: Ивандаев А.И., Хабеев Н.С., Шагапов В.Ш., Губайдуллин А.А., Ахатов И.Ш., Гумеров Н.А., Нагиев Ф.Б. и многие другие.
Подход к исследованию волновых процессов в газо- и парожид-костных средах, разработанный представителями школы академика Накорякова В.Е.и основанный на описании волн с помощью эволюционных уравнений типа Бюргерса и Кортевега-де Вриза, оказался чрезвычайно плодотворным. На основе этих уравнений оказалось возможным аналитическими методами исследовать волны в средах с различной внутренней структурой - пузырьковой, расслоенной, снарядной, изучить основные закономерности эволюции слабонелинейных волн. Дальнейшее развитие исследований волновых течений и интенсивных динамических процессов в таких средах требует разработки новых моделей и методов исследования, учитывающих существенною нелинейность волн
не малой амплитуда и специфику различных структур. Актуальность данного исследования определяется необходимостью изучения нелинейных эффектов усиления, проявляющихся при распространении ударных волн не малой амплитуды в парожидкостной среде, а также в колебательных процессах при интенсивном динамическом нагружении газо- и парожидкостной смеси в закрытых трубопроводных системах.
Цель работы состоит в аналитическом и численном исследовании
динамики волновых течений и колебательных процессов в канале, за
полненном парожидкостной средой с локализованными или распределен
ными газовыми и паровыми включениями; в изучении нелинейных эффек
тов усиления давления, проявляющихся при распространении волн дав
ления и в колебательных процессах под действием интенсивного
нагружения. г
Научная новизна І. На основе континуальной модели динамики пузырьковой смеси разработан численный метод решения уравнений с учетом сжимаемости несущей жидкости. Методом математического моделирования впервые исследован эффект усиления при распространении ударной волны в пузырьковой парожидкостной смеси с неоднородным паросодержанием.
2. численно и аналитически исследованы нелинейные эффекты усиления
давления при собственных и вынужденных колебаниях жидкости в гид
равлическом тракте с газовой полостью. Впервые изучено влияние
сжимаемости жидкости при малой объемной доле газа на эффект усиле
ния давления в колебательном процессе и показано, что зависимость
максимального давления от объема газа имеет немонотонный характер.
Предложено использовать резонансный режим колебаний в такой систе
ме для создания пульсирующей струи жидкости.
3. На основе дискретной модели парожидкостной среды снарядной
структуры численно исследована эволюция ударной волны умеренной
интенсивности в широком диапазоне значений критерия фазового пере
хода W. Проведено численное исследование динамики охлопывания оди
ночного парового снаряда в канале под действием ударной нагрузки;
выявлены различные режимы охлопывания и определена граница режима
монотонного охлопывания на режимной карте.
4. Изучено влияние сжимаемости жидкости и безразмерных параметров
на эффекты усиления давления при собственных колебаниях столба
парожидкостной смеси пузырьковой и снарядной структур в тупиковом
канале.
Практическая ценность работы. Исследованные особенности динамики ударных волн в неоднородной парожидкостной смеси пузырьковой структуры и в парожидкостной снарядной структуре могут быть использованы при моделировании нестационарных волновых процессов в таких средах. Полученные результаты исследования нелинейных колебаний в газожидкостной и парожидкостной системах могут быть непосредственно применены при анализе динамических процессов в гидравлческих линиях, содержащих локализованные объемы газа и пара: трубопроводный транспорт двухфазных смесей, криогенная техника, аппараты химической технологии; при анализе аварийных режимов в системах теплоносителя АЭС, а также при расчете конструктивных параметров пульсационной аппаратуры, пневматических демпферов гидравлического удара, систем гидравлической разработки полезных ископаемых и других устройств.
Автор защищает результаты:
-математического моделирования собственных и вынужденных колебаний в гидравлической линии с газовой полостью;
-анализа влияния относительного объема газа и сжимаемости жидкости на характеристики колебательного процесса;
-исследования полученной амплитудно-частотной характеристики вынужденных колебаний в случае тупикового канала и проточного тракта,
-численного исследования эффектов усиления давления при собственных колебаниях столба парожидкостной смеси пузырьковой и снарядной структур;
-исследований особенностей усиления ударных волн в смеси жидкости с пузырьками пара с убывающей концентрацией,
-численного расчета границы режима монотонного охлопывания одиночного парового снаряда в канале, -численного моделирования эволюции ударной волны в парожидкостной среде снарядной структуры и исследования влияния безразмерных критериев на эффект усиления давления при отражении ударной волны от жесткой стенки.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на XI и XII конференциях молодых ученых в Московском физико-техническом институте (Долгопрудный, 1986, 1987); на Всесоюзной конференции "Нелинейные колебания механических систем" (Горький, 1987); на Всесоюзной конференции молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики" (Новосибрск, 1989); на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Динамика тешюфизических процессов в элементах энергетических аппаратов" (Челябинск, 1989); на Международном семинаре по тешюфизическим аспектам безопасности ВВЭР ТЕШГОФИЗИКА-90 (Обнинск, 1990); на VIII Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах" (Ленинград, 1990). Отдельные части работы докладовались также на семинаре отдела физической гидродинамики ИТ СО АН СССР (рук. академик В.Е.Накоряков) и на семинаре "Акустика неоднородных сред" ИГИЛ СО АН СССР (рук. проф. В.Л.Кедринский). Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка литературы из наименований. Общий объем листов, включая рисунков.