Введение к работе
Актуальность темы Обзор научных публикаций последнего времени подтверждает острую необходимость всестороннего изучения физики дисперсных систем, то есть систем, представляющих собой механическую смесь частиц дисперсной фазы со средой-носителем. Это обстоятельство не случайно, так как круг явлений, в которых решающую роль играют процессы, происходящие с дисперсными системами, довольно широк (образование облаков и выпадение осадков, перенос в атмосфере различного рода промышленных и радиоактивных загрязнений, миграция дефектов в твердых телах, двухфазные течения в лабораторных и промышленных установках и другие).
Обычно дисперсные системы подразделяют, исходя из агрегатного состояния частиц дисперсной фазы и среды-носителя. Особую роль среди дисперсных систем играют аэрозоли. Аэрозоли представляют из себя взвесь твердых или жидких частиц в газовой среде.
Для того чтобы успешно решать практические задачи, связанные с аэрозолями, необходимо построить надежные теоретические модели, адекватно описывающие физические явления в них. Данная диссертация посвящена построению теории нестационарного диффузиофоретического движения твердых крупных нелетучих аэрозольных частиц сферической формы в несжимаемой вязкой газовой среде.
Аэрозольные загрязнения представляют собой серьезную угрозу окружающей среде и здоровью людей. Поэтому задачи по защите от техногенных катастроф и оценке их последствий стоят очень остро. Осознание важности проблем, связанных с влиянием жизнедеятельности человека на атмосферу и гидросферу Земли является серьезным стимулом к изучению процессов, управляющих поведением дисперсных систем.
Следует заметить, что аэрозоли оказывают положительное влияние на многие технологические процессы (дисперсные среды для нужд пищевой промышленности, медицины и сельского хозяйства).
При течении газовой смеси около твердой поверхности возможен эффект так называемого диффузионного скольжения. Он проявляется, когда имеется тангенциальный к поверхности градиент концентраций компонентов смеси. При наличии тангенциального к поверхности градиента концентрации формируются неравновесные по скоростям функции распределения компонентов смеси. Из-за наличия неравновесных добавок к максвелловским функциям распределения возникает нескомпенсированный поток импульса со стороны диффундирующего газа на стенку. В результате при неподвижной стенке газовая смесь как целое приходит в движение.
Следует заметить, что направление скорости диффузионного
скольжения сложным образом зависит от соотношения параметров
компонентов смеси. Возможно движение как по градиенту, так и против градиента концентрации.
Диффузионное скольжение было открыто значительно позже вязкого и теплового скольжения и скачка температуры. В 1943 году Крамерсом и Кистемакером было теоретически предсказано в рамках элементарного кинетического рассмотрения и затем экспериментально подтверждено наличие этого эффекта.
В настоящей работе рассматривается движение аэрозольной частицы, вызванное действием нестационарного градиента концентрации. Наличие такого градиента концентрации говорит о том, что речь идет о нестационарном неравновесном процессе.
Диффузиофорез – это движение частиц в неоднородной по
концентрации газовой смеси в отсутствие внешней силы. Он был теоретически предсказан и открыт значительно позже явления термофореза. Первоначально диффузиофорез был предсказан для мелких частиц, размер которых меньше длины свободного пробега, а спустя несколько лет – для крупных частиц.
Направление скорости диффузиофореза без знания конкретных значений параметров газовой смеси заранее предсказать нельзя.
Диффузиофорез можно использовать для очистки газа от взвешенных частиц. Для этого надо создать градиент концентрации, направленный поперек газового потока, что приведет к выносу частиц из потока за счет диффузиофоретической силы.
Теория нестационарного диффузиофореза все еще остается
неразработанной, хотя в реальных условиях градиент концентрации зависит от времени.
где объект и предмет исследования?Таким образом, построение теории нестационарного диффузиофореза аэрозольной частицы является весьма актуальной задачей.
Объект исследования: твердые частицы, взвешенные в газовой среде, неоднородной по концентрации, изменяющейся со временем.
Предмет исследования: нестационарное диффузиофоретическое
движение твердых крупных аэрозольных частиц сферической формы, т.е. их движение под действием нестационарного градиента концентрации с учетом диффузионного скольжения газа вдоль поверхности частиц.
Целью работы является теоретическое изучение нестационарного диффузиофореза твердых крупных нелетучих сферических аэрозольных частиц в несжимаемой вязкой газовой среде. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Решить задачу о движении твердой крупной сферической нелетучей частицы в несжимаемой вязкой газовой среде под действием нестационарного
градиента концентрации, включающую в себя решение гидродинамической и диффузионной задач.
2. Определить модуль нестационарной составляющей диффузиофоретической
скорости частицы при общем виде градиента концентрации.
3. Рассмотреть конкретный случай диффузиофореза, когда строго
нестационарный градиент концентрации задан с помощью функции
А-{\- еЛ), где A и со постоянные положительные величины, t - время.
4. Провести расчет и анализ изменения модуля нестационарной составляющей
диффузиофоретической скорости для конкретных частиц, взвешенных в
различных газовых смесях при больших и малых значениях времени.
Научная новизна работы Построена теория нестационарного диффузиофореза твердой крупной нелетучей сферической аэрозольной частицы в несжимаемой вязкой газовой среде. Рассмотрен вопрос определения модуля нестационарной составляющей диффузиофоретической скорости частицы при общем виде градиента концентрации. Рассмотрен конкретный случай диффузиофореза когда строго нестационарный градиент концентрации задан аналитическим выражением, таким, что с возрастанием времени этот градиент стремится к постоянному вектору. Получены формулы для вычисления модуля нестационарной составляющей диффузиофоретической скорости частицы и соответствующие приближенные формулы для больших и малых значений времени.
Теоретическая и практическая значимость работы Построенная теория нестационарного диффузиофореза может быть основой для исследования движения частиц аэрозоля в газовой вязкой среде под действием любого заданного нестационарного градиента концентрации.
Полученные приближенные формулы для расчета модуля нестационарной составляющей диффузиофоретической скорости позволяют получать численные значения для аэрозольных частиц, которые состоят из конкретных материалов, взвешенных в газовой смеси, состоящей из различных компонентов.
Положения, выносимые на защиту
-
Решение задачи о движении твердой крупной сферической нелетучей частицы в несжимаемой вязкой газовой среде под действием нестационарного градиента концентрации, которое включает в себя решение гидродинамической и диффузионной задач.
-
Нахождение модуля нестационарной составляющей диффузиофоретической скорости частицы при градиенте концентрации общего вида.
-
Определение модуля нестационарной составляющей диффузиофоретической скорости сферической частицы в конкретном случае диффузиофореза, когда строго нестационарный градиент концентрации задан с помощью функции А-^-ем\ где A и со постоянные положительные
величины и вычисление модуля нестационарной составляющей скорости диффузиофореза при малых и больших значениях времени.
4. Анализ изменения модуля нестационарной составляющей
диффузиофоретической скорости частиц, взвешенных в различных газовых смесях при малых и больших значениях времени.
Достоверность полученных результатов обеспечена тем, что
использованы математические методы и физические подходы,
соответствующие природе явлений. Кроме того, достоверность результатов обеспечивается согласием построенной теории с экспериментальными данными.
Апробация работы Результаты диссертации докладывались на заседаниях и научных конференциях кафедры математического анализа и геометрии, а также на ежегодных научных конференциях Московского государственного областного университета (2013 – 2014 гг.);
9-й Международной конференции «Современные научные достижения-2013» (Прага, 2013 г.);
IX Международной научно-практической конференции «Теория и
практика современной науки» (Москва, 2013 г.);
XVII Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 2014 г.).
Публикации Результаты диссертационного исследования
опубликованы в 14 работах соискателя. В конце автореферата приведен полный список работ. Статьи [1–5] опубликованы в изданиях из перечня ведущих рецензируемых изданий, утвержденного ВАК, статья [6] опубликована в журнале, входящем в международную базу цитирования SCOPUS. В данных публикациях отображены основные результаты исследования по теме диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение и список литературы.