Введение к работе
Актуальность проблемы. Диссертационная работа посвящена исследованию термогидродинамических и термоупругих процессов в однофазных и многофазных средах, инициируемых внешним электромагнитным воздействием. С точки зрения электродинамики, среды являются слабопо-глощающими электромагнитное излучение (несовершенные диэлектрики). Воздействие внешнего электромагнитного излучения на такие среды проявляется в их объемном нагреве и в связанном с этим процессом изменении их термодинамического состояния.
Особенность рассматриваемых процессов заключается в том, что скорость распространения электромагнитных волн в материальных средах на много порядков больше характерной скорости процессов тепломассопе-реноса. Данное обстоятельство является интересным с практической точки зрения, так как позволяет управлять физическим состоянием среды посредством изменения параметров излучения (интенсивностью и частотой) и времени его воздействия (внешнее управление).
Следующей особенностью является то, что воздействие электромагнитного излучения на материальные среды сопровождается проявлением множества прямых и обратных связей между электромагнитным полем и полями других физических величин - температуры, давления, механических напряжений и деформаций, концентраций компонент и т.д. Эти связи, как правило, имеют нелинейный характер и ипициируют эффекты самоорганизации. В рамках макроскопического подхода основными нелинейными эффектами являются: изменение диэлектрических свойств среды в зависимости от температуры, изменение этих свойств в зависимости от агрегатного состояния сред в процессе фазовых превращений, изменение пространственно-временного распределения плотности тепловых источников в движущихся слоисто-неоднородных средах. Эти эффекты обуславливают изменение диссипативного (показатель поглощения) и волнового (волновой вектор) характеристик системы «излучение - среда». Посредством этих механизмов реализуется обратное влияние среды (точнее - изменений ее состава и физических свойств) на электромагнитное излучение.
Таким образом, в общем случае имеет место процесс взаимодействия излучения и среды (излучение <-> среда), который по своему содержанию намного шире процесса воздействия излучения на среду (излучение -> среда). Исследование взаимодействия излучения и среды имеет междисциплинарный характер, включая предмет и методологию ряда разделов физики (электродинамика, теплофизика), механики сплошных сред (гидродинамика, теория упругости, теория фильтрации).
Проявляющиеся при взаимодействии электромагнитного излучения и поглощающих сред эффекты, будучи тесно связанными с процессами те-
пломассопереноса, представляют собой физическую основу различных технологий. В настоящее время количество разнообразных технологических способов применения электромагнитного излучения ВЧ и СВЧ диапазона исчисляется десятками. При этом важной является проблема, связанная с разработкой оптимальных способов и режимов воздействия электромагнитным излучением. Эффективное решение этой проблемы возможно при сочетании вышеуказанных элементов внешнего управления и внутренних процессов самоорганизации. Построение адекватных изучаемым процессам моделей, их аналитическое и численное исследование в принципе позволяют разрешить данную проблему. Важность теоретического моделирования обуславливается еще тем, что экспериментальные исследования физического содержания по данной проблеме затруднительны и встречаются редко.
Целью работы является теоретическое исследование теплофизи-ческих (нагрев, фазовые переходы) и термогидромеханических (термоупругость, фильтрация флюидов) процессов с учетом нелинейных эффектов, проявляющихся при взаимодействии высокочастотного электромагнитного излучения со слабопоглощающими средами.
Основные задачи исследования:
построение аналитических решений одномерных и двухмерных задач, описывающих нагрев однородных сред электромагнитным излучением с учетом переноса тепла теплопроводностью, конвекцией, теплообмена с окружающей средой, непрерывного и циклического режимов воздействия излучения;
моделирование процессов нагрева сред электромагнитным излучением, а также инициируемых нагревом фазовых превращений с учетом нелинейных эффектов: изменения показателя поглощения излучения в зависимости от температуры и агрегатного состояния сред, изменения пространственно-временного распределения интенсивности электромагнитного излучения в слоисто - неоднородных средах;
изучение особенностей термоупругих и фильтрационных процессов при воздействии электромагнитным излучением.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые результаты:
1. С использованием полученных решений электродинамической задачи о распространении плоской электромагнитной волны в слоистых средах развита теория нагрева электромагнитным излучением движущихся слоисто-неоднородных сред, разделенных подвижной и неподвижной границами раздела. Показано, что температурные профили имеют осцилляци-онный характер, обусловленный наличием интерференционного слагаемого в выражении для плотности тепловых источников. Установлено существование и исследована динамика бегущих температурных волн.
-
Получены аналитические решения одномерных и двухмерных краевых задач, описывающих нагрев однородных сред электромагнитным излучением с учетом теплопроводности, конвективного переноса тепла, теплообмена с окружающей средой, непрерывного и циклического характера воздействия излучения.
-
Построена теория, описывающая нагрев неподвюкных и движущихся сред с учетом зависимости показателя поглощения излучения от температуры. Установлено, что возможны следующие нелинейные режимы нагрева: обострения и локализации, просветления среды и их совместное проявление. Аналитическими и численными методами исследована динамика и определены основные характеристики (амплитуда и скорость) реализующихся при этом температурных волн.
-
Предложена и исследована модель объемных.фазовых переходов, происходящих при нагреве электромагнитным излучением в режиме просветления среды. Установлены качественные критерии, определяющие режимы объемных и фронтовых фазовых переходов.
-
На основе аналитических и численных решений исследованы динамические и статические термоупругие деформации и напряжения, инициируемые при нагреве сплошных и неоднородных сред электромагнитным излучением. Показано, что вокруг неоднородностен (поры, частицы и т.д.) возможно развитие термоупругих напряжений, превышающих предел прочности окружающей матрицы. Получены выражения для значений напряженности электрического поля и интенсивности излучения, при которых возможно разрушение среды.
-
Предложено дальнейшее развитие теории фильтрации жидкостей и газов при электромагнитном нагреве насыщенных пористых сред. На основе учета зависимости плотности и вязкости флюида от температуры, вязко-пластичных свойств флюида, изменения показателя поглощения излучения пористой средой в процессе нагрева, циклического характера электромагнитного воздействия и фильтрации, эффекта Джоуля-Томсона при фильтрации газа, с использованием аналитических и численных решений получены качественно новые результаты:
немонотонный характер распределения давления, термоупругое «фонтанирование» флюида из пористой среды;
профили давления и температуры в виде квазистационарных волн;
нелинейный характер движения границы области фильтрации вязкопла-стичной жидкости;
немонотонный характер распределения температуры при фильтрации газа.
Научная и практическая значимость работы. Результаты, полученные в работе, расширяют теоретические представления о процессах теп-ломассопереноса и термоупругости в поглощающих электромагнитное излучение средах. Исследованные нелинейные процессы, описывающие
взаимодействие излучения и среды, наряду с теоретическо-познавательной значимостью, имеют и практическую ценность. Сочетание процессов внутренней самоорганизации системы «излучение - среда» с возможностями внешнего управления, может быть использована для реализации новых тех- -нических и технологических решений, основанных на использовании энергии электромагнитного излучения. Сущность этих решений определяется возможностями увеличения равномерности и глубины нагрева (режимы просветления среды), увеличения скорости нагрева и его локализации (режимы с обострением), пространственно- временной модуляции температуры и связанных с ней других характеристик среды (интерференционные эффекты), реализации заданных профилей температуры, формирования подвижных или неподвижных областей локализации тепла - тепловых оторочек, дистанционного нагрева (циклические режимы нагрева и движение среды) и т.д.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах, среди которых: Всесоюзные семинары «Численные методы решения задач теории фильтрации» (Баку, 1978; Новосибирск, 1986, Новосибирск, 1990), Всесоюзный семинар «Современные проблемы и математические методы в теории фильтрации» (Москва, 1984), V Всесоюзная конференция «Применение СВЧ- энергетики в энергосберегающих технологических процессах» (Саратов, 1986), научно-техническая конференция по программе Минвуза РСФСР «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1983, 1987), Всесоюзная конференция «Проблемы синергетики» (Уфа, 1989), Всесоюзная научно-техническая конференция «Нетрадиционные ресурсы углеводородов и проблемы их освоения» (Ленинград, 1988), Международная конференция «Flow through porous media» (Москва, 1992), Всероссийская конференция «Комплексный анализ, дифференциальные уравнения, численные методы и приложения» (Уфа, 1996), Всероссийская научная конференция «Физика конденсированного состояния» (Стерлитамак, 1997), V Международная конференция «Современные проблемы электрогидродинамики и электрофизики жидких диэлектриков» (Санкт-Петербург, 1998), 13-я международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ - 2000 (Санкт - Петербург), «The International Conference on Multiphase Systems JCMS' 2000» (Уфа, 2000), научный семинар института механики УНЦ РАН под руководством академика Р.И.Нигматулина (Уфа, 1996, 1998), Всесоюзная и Всероссийская школа - семинар под руководством академика А.Х.Мирзаджанзаде (Уфа, 1987-1999), научный семинар по физико-химической гидродинамике Института механики МГУ под руководством профессора Гогосова В.В. (Москва, 2000).
Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается
использованием при построении моделей методологических представлений фундаментальных наук - электродинамики, механики сплошных сред, теплофизики и данных экспериментальных исследований; ;
использованием при построении аналитических решений методов математической физики, проверкой адекватности полученных решений к реальности на основе известных и полученных в работе критериальных параметров;
применением апробированных конечно-разностных методов и тестированием результатов рассматриваемых задач с аналитическими решениями.
Публикации. По теме диссертации опубликовано свыше 50 работ, в том числе монография, учебное пособие, отраслевая обзорная информация, 4 авторских свидетельств на изобретения.
По теме диссертации под руководством автора подготовлено и защищено 3 кандидатские диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы, содержит 365 стр.," включая 130 рисунков, 3 таблицы. Список литературы содержит 271 наименование.