Введение к работе
Актуальность работы. Неравновесные процессы тепломассообмена в многофазных средах, сопровождаемые фазовыми переходами, являются одним из важных и малоизученных разделов науки, находящимся на стыке теплофизики, механики и энергетики, и представляют несомненный научный и практический интерес. При математическом моделировании таких сред приходится сталкиваться с большими трудностями, связанными с многообразием протекающих в них процессов. Однако необходимость такого моделирования очевидна, т. к. полученные из теории знания уменьшают объем необходимых экспериментальных исследований и позволяют выбрать оптимальные условия для их реализации, а представление о сути рассматриваемых процессов дает возможность непосредственного управления ими.
Фазовые переходы первого рода в своем развитии проходят через одни и те же стадии и происходят путем флуктуационного зарождения и роста центров новой фазы. Предшествует всему процесс создания метастабильного состояния вещества. Суммарная кинетика данного процесса определяется частотой нуклеации и скоростью роста зародышей. Значение этих величин связано с совокупностью термодинамических и кинетических параметров, существенных в данных условиях, и, главным образом, со степенью метастабильности вещества. Важной задачей является нахождение зависимости доли превратившегося объема от времени, числа образующихся центров новой фазы, функции распределения зародышей по размерам, продолжительности протекания превращения и т. п.
При моделировании фазовых переходов в первую очередь встает вопрос о механизме их протекания. Как правило, в данном процессе выделяются две ярко выраженные стадии. Первая из них — стадия нуклеации, на которой образуется основное число устойчиво растущих зародышей новой фазы. Нелинейная природа нуклеации, выражающаяся в очень сильной зависимости скорости зародышеобразования от степени метастабильности среды, определяет скоротечность этой стадии в масштабах характерного времени создания метастабильности. И если начало стадии нуклеации обуславливается действием факторов, создающих метастабильность, то ее окончание связано со снижением степени метастабильности, вопреки продолжающемуся действию указанных факторов, что связано с переходом части вещества метастабильной фазы в зародыши стабильной фазы, который сопровождается выделением скрытой
теплоты фазового перехода. Основная же часть материнской фазы переходит в стабильное состояние за счет дальнейшего роста образовавшихся на стадии нуклеации зародышей новой фазы при практически неизменном их количестве. Наибольший интерес и наибольшую сложность при изучении фазовых переходов представляет, конечно же, стадия нуклеации. Здесь тесно переплетаются вопросы термодинамики малых систем, кинетики нуклеации зародышей новой фазы и механизма их роста в широком диапазоне режимных параметров процесса, корректного учета эффекта коллективного влияния ансамбля растущих зародышей новой фазы на состояние исходной метаста-бильной фазы и т. д. Все это в совокупности с действием факторов, создающих метастабильность, воплощается в виде сложной, сильно нелинейной математической проблемы, описываемой системой интегро-дифференциальных уравнений, полного решения которой на данный момент времени нет.
Целью работы является комплексное исследование фазовых переходов в средах, быстро приведенных в метастабильное состояние.
В соответствии с намеченной целью были поставлены следующие задачи научного исследования:
Создание теории объемной кристаллизации переохлажденного расплава, учитывающей изменение степени метастабильности материнской фазы в процессе зарождения и роста центров новой фазы.
Формулировка необходимых и достаточных условий аморфизации расплава при сверхбыстрой закалке из жидкого состояния.
Моделирование затвердевания микрослоя расплава, приведенного в контакт с холодной поверхностью, с целью исследования возможности управления микроструктурой получаемого материала.
Исследование механизмов и создание моделей кавитации как чистого, так и газонасыщенного расплава в процессе его кристаллизации.
Моделирование начальной стадии взрывного вулканического извержения методами механики многофазных сред с привлечением развитых в работе представлений о кинетике фазовых превращений.
Моделирование процессов растворения и гидратообразования за фронтом ударной волны, распространяющейся в пузырьковой жидкости насыщенной газом-гидратообразователем.
Научная новизна.
Предложена новая кинетическая теория суммарного фазового превращения в веществе, находящемся в метастабильном состоянии, без учета изменения степени метастабильности материнской фазы. Получены новые аналитические решения для зависимости доли превратившегося объема от времени, числа образующихся в процессе центров новой фазы, продолжительности протекания превращения.
Создана кинетическая теория объемной кристаллизации переохлажденного расплава как в процессе мгновенного, так пив процессе постепенного создания метастабильности, учитывающая изменение степени мета-стабильности материнской фазы в процессе зарождения и роста центров новой фазы.
Впервые предложена неравновесная модель роста сферического кристалла в переохлажденном расплаве с учетом усадки вещества в процессе затвердевания. Полученное новое квазистационарное решение для скорости роста кристалла.
Сформулированы необходимые и достаточные условия аморфизации веществ при сверхбыстрой закалке из жидкого состояния.
Впервые решена сопряженная задача о затвердевании тонкого слоя расплава, приведенного в контакт с холодной поверхностью, которая позволила рассчитать микроструктуру затвердевшего материала в поперечном сечении слоя.
Найдены новые аналитические решения задачи о сегрегации растворенного в расплаве газа движущимися фронтами кристаллизации.
Впервые предложена модель кавитации расплава в процессе его объемной кристаллизации, обусловленной усадкой вещества в процессе затвердевания, которая позволила расчитать зависимость конечного размера кристаллических зерен и кавитационных включений от скорости охлаждения расплава.
Предложена модель дегазации высоковязкого газонасыщенного расплава при его быстрой декомпрессии, корректно учитывающая изменение пересыщения летучего компонента в процессе дегазации.
Предложена оригинальная модель начальной стадии взрывного вулканического извержения с учетом происходящих фазовых превращений: дегазации, кристаллизации и аморфизации.
Впервые предложена модель совместного процесса растворения и гидратообразования при ударно-волновом воздействии на газожидкостные среды. Выполнено обобщение имеющихся опытных данных по профилям газосодержания за ударной волной, временам растворения и гидратообразования на основе расчетов по предложенной модели. Сформулированы практические рекомендации по интенсификации процесса гидратообразования.
Практическая ценность. Хотя исследования, представленные в диссертации, и являются фундаментальными, часть результатов имеет непосредственное практическое приложение. Развитые в работе модельные представления о кинетике кристаллизации и аморфизации переохлажденных расплавов могут найти применение в энергетике, металлургии, микроэлектронике, в современных технологиях получения новых перспективных материалов, обладающих уникальными физико-химическими свойствами: аморфных, микро-и нанокристаллических, биоактивных и т. п. Результаты исследования кави-тационных процессов в жидкости могут быть использованы как в различного рода технологических процессах, связанных, например, с переходными режимами работы энергетических установок при сбросе давления, химическими технологиями и т. д., так и при моделировании ряда природных явлений, таких как вулканические и гейзерные извержения. Исследования по кинетике гидратообразования в ударных волнах могут дать толчок к созданию новых эффективных технологий, связанных с разработкой нефтегазовых месторождений, хранения и транспортировки природного газа, опреснения соленой воды и разделения газов и т. п. Высокоэффективные методы получения газогидратов могут быть также использованы для утилизации вредных для экологии Земли газов, например, диоксида серы и углекислого газа.
Достоверность полученных результатов обусловлена использованием проверенных методик численного и аналитического решений, совпадением полученных решений как качественно, так и во многих случаях количественно с достоверными экспериментальными данными, согласием полученных результатов в предельных случаях с известными и апробированными результатами других авторов, а также публикацией результатов исследований в жестко рецензируемых научных журналах, в том числе рекомендуемых ВАК для публикации материалов докторских диссертаций.
Автор защищает:
Альтернативную, по отношении к колмогоровской, кинетическую теорию фазовых превращений в веществе, находящемся в метастабильном состоянии, и полученные новые аналитические решения для зависимости доли превратившегося объема от времени, числа образующихся в процессе центров новой фазы, продолжительности протекания превращения.
Кинетическую теорию объемной кристаллизации переохлажденного расплава, корректно учитывающую изменение степени метастабильности материнской фазы в процессе зарождения и роста центров новой фазы.
Неравновесную модель роста сферического кристалла в переохлажденном расплаве с учетом усадки вещества в процессе затвердевания и полученное новое квазистационарное решение.
Сформулированные в работе необходимые и достаточные условия амор-физации расплава при сверхбыстрой закалке из жидкого состояния.
Модель затвердевания тонкого слоя расплава, приведенного в контакт с холодной поверхностью, и полученные численные решения.
Новые аналитические решения задачи о сегрегации растворенного в расплаве газа движущимися фронтами кристаллизации.
Модель кавитации расплава в процессе его объемной кристаллизации, обусловленной усадкой вещества в процессе затвердевания, и полученные численные решения.
Модель кавитации высоковязкого газонасыщенного расплава при его быстрой декомпрессии.
Модель начальной стадии взрывного вулканического извержения с учетом происходящих фазовых превращений: дегазации, кристаллизации и аморфизации.
Модель совместного процесса растворения и гидратообразования при ударно-волновом воздействии на газожидкостные среды и практические рекомендации по интенсификации процесса гидратообразования.
Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором, либо с его непосредственным участием. В работах по моделированию затвердевания тонкого слоя расплава и сегрегации растворенного в расплаве газа движущимися фронтами кристаллизации автору
принадлежат численные и аналитические решения задач, анализ полученных результатов. В работе по моделированию кавитации расплава в процессе его объемной кристаллизации автору принадлежат постановка задачи и анализ полученных результатов. В работах по моделированию взрывных вулканических извержений автору принадлежит часть, связанная с кинетикой фазовых превращений. В работах по гидратообразованию автору принадлежит теоретическая модель процесса и анализ полученных результатов. Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись на следующих научных конференциях и семинарах: общеинститутские семинары ИТ СО РАН, НГиЛ СО РАН, НТПМ СО РАН; научные семинары Отдела теплофизики многофазных систем ИТ СО РАН; EGS-AGU-EUG Joint Assembly (Nice, France, 2003 г.); 25th International Symposium on Shock Waves (Bangalore, India, 2005 г.); 6th International Symposium on Cavitation (Wageningen, Netherlands, 2006 г.); IV-X Международная научная конференция "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Алушта, Украина, 2006-2012 гг.) (среди них 3 пленарных доклада); II Сибирская школа-семинар "Математические проблемы механики сплошных сред" (Новосибирск, НГиЛ СО РАН, 1998); V, VI, VII, X, XI Всероссийская конференция молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск, ИТ СО РАН, 1998; 2000; 2002; 2008; 2010 гг.); IV Школа-семинар "Физика взрыва и применение взрыва в физическом эксперименте" (Новосибирск, ИГиЛ СО РАН, 2003 г.); VIII, X семинар СНГ "Акустика неоднородных сред" (Новосибирск, ИГиЛ СО РАН, 2004; 2009 гг.); XXVIII-XXX Всероссийская конференция "Сибирский теплофизический семинар" (Новосибирск, ИТ СО РАН, 2005; 2010; 2012 гг.); III Российское совещание "Метастабильные состояния и флуктуационные явления" (Екатеринбург, ИТ УрО РАН, 2005); 16, 18 сессия Российского акустического общества (Москва, 2005 г.; Таганрог, 2006 г.); IV, V Российская национальная конференция по теплообмену (Москва, МЭИ, 2006; 2010 гг.); Российская конференция "Механика и химическая физика сплошных сред" (Бирск, 2007 г.); Всероссийская школа-семинар молодых ученых "Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии" (Новосибирск, ИТ СО РАН, 2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 35 работ, в том числе 21 — в ведущих отечественных и зарубежных журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций, 14 — в сборниках трудов конференций. В данных публикациях в полной мере отражены основные научные результаты работы. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из пяти глав, заключения и библиографического списка из 198 наименований, включая 21 работу автора. Полный объем работы — 172 страницы, включая 53 рисунка и 2 таблицы.
