Введение к работе
Актуальность работы. Вязкость подавляющего большинства жидких сред в широком диапазоне температур изменяется в соответствии с зависимостями Вильямса - Лэнделла - Ферри, Фулчера - Фогеля - Тамманна, Эйринга и им подобными. Эти зависимости- представляют собой убывающие функции температуры и хорошо описывают течение капельных жидкостей: простых жидкостей, встречающихся в природе и применяемых в технике, жидких металлов, расплавов природных минералов, полимеров. Характеристики течения таких жидкостей достаточно хорошо изучены и продолжают уточняться. Однако некоторые вещества, в которых в определенном диапазоне температур могут происходить процессы полимеризации и деполимеризации, имеют вязкость с немонотонной температурной зависимостью.
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию течений аномально - вязких жидкостей в каналах теплообменных устройств. Здесь и далее аномально — вязкими жидкостями будут называться жидкости, вязкость которых в рассматриваемом температурном диапазоне имеет немонотонную зависимость от температуры.
Вопросы, связанные с особенностями течения аномально - вязких жидко стен, до сих пор оставались открытыми. Необходимость их решения связана как с соображениями развития термогидродинамики, так и с конкретными технологическими задачами. К ним можно отнести некоторые процессы переработки нефти, экологические задачи по очистке отходящих газов от серосодержащих соединений, химические технологии полимерных материалов.
Наиболее ярким представителем семейства веществ с температурной аномалией вязкости является жидкая сера. Вязкость жидкой серы с увеличением температуры сначала увеличивается, достигая максимального значения при 187 С, после чего происходит относительно плавное уменьшение.
Эти свойства жидкой серы проявляются, в частности, в теплообменных устройствах установок Клаус - процесса, предназначенных для сжигания серного ангидрида и утилизации серы при переработке сернистой нефти. На конечной стадии процесса парогазовая смесь, состоящая из паров серы и некоторых газов, поступает в теплообменник, на стенках которого конденсируется жидкая сера. При этом вблизи входа в теплообменник формируется «порог», образованный большим скоплением конденсата серы. При определенных условиях «порог» из жидкой серы увеличивается настолько, что может произойти перекрытие сечения канала. В результате возникновения «порога» в большинстве каналов теплообменники достаточно часто выходят из строя. Непосредственные измерения температуры конденсата внутри «порога» дали значения температуры в пределах 160 — 190 С, т. е. именно такие температуры, которым соответствует резкое возрастание вязкости серы.
Указанный факт требует установления механизма образования «порога» и причины перекрытия сечения канала теплообменника на основе проведения исследований с применением математических щппппгГії
тоавЖ0НАЛкН«ї
З / БИБЛИОТЕКА І
Целями диссертационной работы являются численное исследование и изучение особенностей течения в каналах теплообменных устройств аномально - вязких жидкостей, вязкость которых имеет немонотонную зависимость от температуры и достигает максимального значения на рассматриваемом температурном диапазоне; изучение зависимостей расходных характеристик потока от параметров, характеризующих аномальную вязкость, условий теплообмена, приложенного перепада давления и времени; моделирование явления «порого-образования» при течении слоя аномально — вязкой жидкости.
Достоверность результатов обусловлена применением методов механики сплошных сред при разработке математической модели рассматриваемого процесса и их физической и математической непротиворечивостью в рамках физических законов. Компьютерная программа, реализующая численный метод решения уравнений математической модели, протестирована путем сравнения с точными аналитическими решениями и экспериментальными данными.
Практическая ценность. Результаты, полученные в данной диссертационной работе, необходимы для правильного понимания процессов происходящих в теплообменниках установок Клаус - процессов и могут быть применены для оптимизации их работы и увеличения сроков службы теплообменных устройств.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
При течении аномально - вязкой жидкости в каналах теплообменников установлено образование локализованного высоковязкого участка - «вязкого барьера», который в значительной мере способен влиять на структуру потока.
-
Выявлены основные закономерности потока в зависимости от параметров вязкой аномалии.
-
Обнаружен эффект отрицательного приращения относительного расхода с ростом перепада давления.
-
Показано существование четырех основных режимов установления течения в зависимости от интенсивности теплообмена.
-
Установлены причины явления образования «порога» при расслоенном режиме течения аномально - вязкой жидкости.
Апробация работы. Основные результаты, приведенные в диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях и научных школах:
Республиканская научная конференция студентов и аспирантов по физике и математике, Уфа, 1997 г. Tiiird International Conference on Multiphase Flows, Lyon, France, 1998 r.
IV Всероссийская школа - семинар «Аналитические методы и оптимизация процессов в механике жидкости и газа» (САМГОП - 98), Уфа, 1998 г. Республиканская конференция «Современные проблемы естествознания на стыках наук (СПЕ'СН - 98)», Уфа, 1998 г.
XXII школа - семинар по проблемам механики сплошных сред в системах добычи, сбора, подготовки, транспорта и переработки нефти и газа (под руководством академика АН Республики Азербайджан А. X. Мирзаджан-заде), Уфа, 1998 г.
Международная научно-практическая конференция «Химия и химические технологии — настоящее и будущее», Стерлитамак, 1999 г. Международная конференция по многофазным системам, посвященная 60-летию со дня рождения академика РАН Р. И. Нигматулина (ICMS -2000), Уфа, 2000 г.
Восьмой Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, Пермь, 2001 г.
Восьмая Всероссийская научная конференция студентов физиков и молодых ученых (ВНКСФ - 8), Екатеринбург, 2002 г.
XVI сессия Международной школы по моделям механики сплошной среды, Казань, 2002 г.
1-ый конкурс научных работ молодых ученых и аспирантов УНЦ РАН и АН РБ, Уфа, 2002 г.
13-я Зимняя школа по механике сплошных сред и Школа молодых ученых по механике сплошных сред, Пермь, 2003 г.
Пятая Международная конференция «Математическое моделирование физических, экономических, технических и социальных систем и процессов», Ульяновск, 2003 г.
Двенадцатая Международная конференция по вычислительной механике и современным программным системам, Владимир, 2003 г.
Четвертый Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике (осенняя сессия), Сочи, 2003 г.
Кроме того, основные результаты работы докладывались автором на семинарах:
кафедры механики сплошных сред математического факультета Башкирского государственного университета (под руководством чл. — корр. РАН М. А. Ильгамова и проф. И. Ш. Ахатова),
кафедры геофизики физического факультета Башкирского государственного университета (под руководством проф. Р. А. Валиуллина)
Института механики Уфимского научного центра РАН (под руководством академика РАН Р. И. Нигматулина и проф. В. Ш. Шагапова).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 25 работах автора, список которых приводится в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 142 страницы, в том числе 60 рисунков. Список литературы состоит из 81 наименования.
