Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время теплофизика уделяет значительное внимание вопросам технологических приложений, когда наряду с энергетическими показателями важным фактором является качество конечного продукта. Большинство природных и композиционных материалов, используемых в строительстве, а также в машино- и самолетостроении, являются гетерогенными системами, имеют сложную неоднородную структуру, часть из них по своим свойствам относится к коллоидным капиллярно-пористым телам. В их число входит, например, древесина. Наблюдаемые закономерности тепломассопереноса в таких телах представляются результатом достаточно сложных явлений, происходящих на микро- и макроуровнях.
В создании теории тепломассопереноса в капиллярно-пористых материалах, основанной на термодинамике необратимых процессов, общепризнана выдающаяся роль А.В. Лыкова. Фундаментальные результаты, развивающие эту теорию применительно к процессам сушки, принадлежат. Н.И. Гамаюнову, О.Л. Данилову, А.А. Долинскому, М.Ф. Казанскому, В.И. Коновалову, О. Кри-шеру, П.С. Куцу, П.Д. Лебедеву, П.П. Луцику, Р.В. Луцыку, К.Д. Малецкой, Ю.А Михайлову, Н.И. Никитенко, Б.А. Поснову, СП. Рудобаште, А.И. Расеву, Ю.Ф. Снежкину, Ю.Ф. Светлову, И.М. Федорову, Н.Е Федорову, В.Ф, Фролову, Н. В. Чураеву, Г.С. Шубину и другим ученым.
Система дифференциальных уравнений диффузионно-фильтрационного влаготеплопереноса, полученная А.В. Лыковым, имеет ограничения, проявляющиеся при необходимости описания реальных механизмов переноса влаги и изменения распределения фаз в капиллярно-пористом теле. Такая необходимость возникает при прогнозировании деформационных процессов, сопровождающих интенсивную термовлажностную и механическую обработку коллоидных капиллярно-пористых материалов, которые применяют для улучшения физико-механических свойств природного сырья, в том числе и при модифицировании древесины. Несмотря на то, что древесина является возобновляемым сырьевым ресурсом, запасы ее ограничены, и с практической точки зрения актуально проектирование высокопроизводительных технологических процессов модифицирования древесины малоценных пород, которые должны обеспечить возможность получения качественных экологически чистых материалов.
При производстве модифицированной древесины термомеханическим способом тепловые и реологические процессы доминируют и распространяются на большинство основных технологических операций: нагрев, сушка, прессование, пропитка. Технологические стадии сушки и деформирования чередуются, так что структурные параметры древесины, сформировавшиеся при сушке, оказывают влияние на результат следующей операции технологической цепочки - прессования и наоборот. Такое взаимовлияние требует изучения тепловых и реодинамических процессов в натуральной и уплотненной древесине. Подобные проблемы исследовались для ряда дисперсных сред, в частности, известны научные достижения в области реодинамики и теплообмена при высо-
котемпературном деформировании порошковых (негигроскопических) материалов при уплотнении и выдавливании (А.Г. Мержанов, Л.С. Стельмах, A.M. Сталин, Н.К. Жиляева).
При изучении процессов сушки и деформирования в капиллярно-пористых телах с коллоидными свойствами возникают принципиальные трудности, обусловленные существенной ролью поверхностных явлений. Теоретическое изучение этой проблемы привело к созданию математической модели взаимосвязанного тепломассопереноса, которая позволила описывать с единых позиций процессы неизотермической сушки, сорбции и двухфазной фильтрации (Н.Н. Гринчик, П.С. Куц, Н.В. Павлюкевич, П.В. Акулич,В.И. Терехов). В исследованиях этого направления уравнения переноса получены методом усреднения по элементарному объему среды (квазигомогенное приближение). В связи с этим в построенных моделях не было возможности, в частности, дать детальные описания физических явлений на межфазных границах (фазовые переходы), рассмотреть перенос различных типов связанной и свободной воды.
Если в качестве элементарного объема рассматривать объем отдельной фазы, то, следуя методам механики гетерофазных систем, разработанной Р.И. Нигматулиным, в результате усреднения можно получить уравнения сохранения для каждой из фаз, а также соответствующие уравнения на границах их взаимодействия. Такой подход использовался рядом авторов для создания плодотворных математических моделей тепломассопереноса насыщенных и ненасыщенных деформируемых капиллярно-пористых сред (Г.Н. Исаков, И П. Кор-нюхин, Л.И. Жмакин, Г.Н. Кувыркин, Н.Г. Тактаров, М.Г. Храмченков). Для изучения процессов сушки и деформирования ненасыщенных коллоидных капиллярно-пористых материалов с учетом существенно различного поведения фаз, фазовых переходов, поверхностно-капиллярных эффектов эта концепция ранее не применялась. Теоретические исследования, учитывающие многофаз-ность и многокомпонентность материала, актуальны, так как дают возможность установить динамику развития и природу явлений нестационарного переноса массы, импульса и энергии всех фаз коллоидного капиллярно-пористого материала с учетом широкого спектра физических факторов
Среди наиболее весомых факторов при разработке рациональных технологий модифицирования этих материалов выступает реологический фактор, который проявляет себя в процессах сушки и увлажнения, а также при уплотнении. Анализ опытных данных показал, что древесина - термо- и влагонеста-бильный материал, при деформировании проявляет эффекты вязкоупругости, механосорбции (зависимость напряжений от влажности) и псевдоползучести, имеющей место при разбухании или усадке. К недостаткам многих работ по реологии древесины следует отнести, как правило, неинвариантную форму реологических уравнений, отсутствие методик расчета реологических параметров моделей при их использовании в нестабильных температурно-влажностных условиях, невозможность их применения для случаев существенного изменения макро- и микроструктуры материала, например, в процессах сушки и прессования. Для изучения комплексных технологических воздействий на коллоидные, капиллярно-пористые материалы актуально построение реологического урав-1
нения состояния таких систем.
Связь работы с научными программами и темами. Исследование выполнено в соответствии с плановой тематикой Регионального научно-образовательного центра "Юг-Лес", Воронежской государственной лесотехнической академии, в рамках федеральной целевой научно-технической программы (шифр 2006-РИ-33.0/001/014); а также в соответствии с государственной программой прикладных исследований Беларуси «СУШКА» в рамках задания 20 «Исследование напряженно-деформированного состояния материала для оптимизации процесса сушки» на 2004-2005 гг. (головная организация АНК «Институт тепле—и массообмена» АН Беларуси).
Цель исследования. Развитие теоретических основ и численное моделирование процессов переноса массы, импульса и энергии в анизотропных коллоидных гетерофазных системах при интенсивных тепловых и механических воздействиях.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
Построить математическую модель тепломассопереноса в анизотропных ненасыщенных коллоидных капиллярно-пористых материалах при термических воздействиях (включая процессы сушки) с учетом широкого спектра физико-химических факторов.
Разработать концепцию поверхностно-капиллярных явлений в коллоидном капиллярно-пористом теле для математического моделирования интенсивных тепловых и механических воздействий.
Выполнить численный анализ нестационарных взаимосвязанных трех- и двумерных нелинейных краевых задач тепломассопереноса в анизотропном капиллярно-пористом теле при заданных условиях конвективной и вакуумной сушки (на примере древесины).
Установить возможности упрощения математического описания тепломассообмена при моделировании конкретных технологических процессов термообработки выбранных капиллярно-пористых материалов.
Сформулировать реологическое уравнение состояния анизотропных коллоидных капиллярно-пористых сред, которое учитывает отклик макро- и микроструктуры материала, перестраивающейся при интенсивной сушке и (или) уплотнении.
Осуществить математическое моделирование технологических операций применительно к технологическим процессам термомеханического модифицирования древесины
Методология и методы исследования. Поставленная цель достигается использованием методологии механики многофазных систем и реологии полимеров. Разработаны математические модели процессов термической обработки и деформирования коллоидных капиллярно-пористых материалов, учитывающие многообразие протекающих при этом физических процессов Созданы расчетные методики и реализован вычислительный эксперимент для изучения теп-лофизических и реологических факторов при сушке и уплотнении древесины.
Научная новизна работы
Дано теоретическое описание процессов тепломассопереноса в анизотропных ненасыщенных коллоидных капиллярно-пористых материалах с использованием метода усреднения по отдельным фазам, учитывающее различную температуру фаз, фазовые переходы, неодинаковые механизмы переноса свободной и адсорбционной воды, диффузионный перенос паровой компоненты в бинарной газовой смеси.
Разработано описание гидродинамических процессов в анизотропном коллоидном капиллярно-пористом теле с гидрофильными свойствами путем применения дополнительного усреднения по трем объемам - свободной воды и воды граничных слоев (в смачивающих пленках и тонких прослойках).
Численно исследованы закономерности развития трех- и двумерных полей термодинамических переменных газообразной, жидкой и твердой фаз в волокнистых материалах с коллоидными свойствами при различных режимах сушки в зависимости от начальных структурных характеристик материала (пористость, влажность) и свойств сушильного агента (температура, степень насыщенности, давление).
Проведен анализ математической модели термообработки коллоидных капиллярно-пористых материалов, позволивший обоснованно ограничивать круг физических явлений, требующих математического описания.
Предложена и обоснована реологическая модель неупругих коллоидных капиллярно-пористых тел с двойной пористостью (на примере древесины), отличающаяся возможностью применения в широком диапазоне нестабильных температурно-влажностных условий, в том числе для тех процессов, которые существенно изменяют структуру материала, такие как сушка и прессование
Практическая значимость полученных результатов
Развиваемое направление и полученные результаты дают новые представления о явлениях переноса массы, импульса и энергии, происходящих при интенсивных процессах сушки и уплотнения анизотропных ненасыщенных коллоидных капиллярно-пористых сред.
Создана теоретическая основа и методика расчетов технологических режимов сушки, а также ее комбинаций с процессами уплотнения волокнистых коллоидных капиллярно-пористых материалов, физико-механические свойства которых существенно изменяются при структурных трансформациях. Получены закономерности формирования структуры нового материала и изменения его прочностных характеристик при прессовании с учетом неравновесных эффектов в граничных слоях.
Достоверность научных результатов обеспечивается использованием
фундаментальных законов явлений переноса, методов механики многофазных
систем; строгой математической постановкой краевых задач; использованием
надежных численных алгоритмов; проведением тестовых расчетов и сопостав
лением их результатов с аналитическими решениями и опытными данными;
предельными переходами к известным случаям в реологическом уравнении, в
математических моделях тепломассопереноса и уплотнения; совпадением тео-,
ретических выводов с данными практики. (
4 '
На защиту выносятся:
Результаты теоретического исследования закономерностей переноса массы, импульса и энергии во всех фазах анизотропного ненасыщенного коллоидного капиллярно-пористого тела при интенсивной сушке и уплотнении, учитывающие различную температуру фаз, фазовые превращения, поверхностно-капиллярные эффекты, диффузионный механизм переноса в парогазовой смеси.
Постановка на общей методической основе гидродинамических задач для раздельных и совмещенных процессов сушки и уплотнения анизотропных ненасыщенных коллоидных капиллярно-пористых тел.
Результаты вычислительного эксперимента на основе математической модели взаимосвязанного тепломассопереноса в процессах интенсивной сушки древесины (натуральной и уплотненной).
Предельные тепловые, гидро- и газодинамические, а также диффузионные режимы в фазах капиллярно-пористого тела при сушке.
Реологическое уравнение состояния анизотропного коллоидного материала с двойной пористостью на биополимерной основе.
Теоретические основы расчета напряженно-деформированного состояния композита, формируемого из прогретого или пропаренного коллоидного капиллярно-пористого волокнистого материала, для создания эффективного контроля и совершенствования управления технологическими процессами переработки этих материалов (на примере процесса термомеханического модифицирования древесины), а также для разработки новых рациональных технологий.
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертации доложены на V Минском международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, 2004), II Международной научно-практической конференции "Современные энергосберегающие технологии (сушка и тепловые процессы)" СЭТТ-2005 (Москва, 2005); III Российской национальной конференции по теплообмену (г. Москва, 2002); 21, 22 и 23 симпозиумах по реологии (Селигер, 2002, Валдай, 2004, 2006); Международных научно-практических конференциях "Композиционные материалы: теория, исследования, разработка, технология, применение" (Новочеркасск, 2004, 2005); 14 зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2005); V, VI и VII Международной научно-технической конференции "Авиакосмические технологии " (Воронеж, 2004, 2005,2006); Всероссийской научно-практической конференции «Лесной и химический комплексы - проблемы и решения» (Красноярск, 2005); Всероссийской научно-практической конференции "Интеграция науки, образования и производства для развития лесного хозяйства и лесного комплекса" (Воронеж, 2004); III и V Международных конференциях "Лес-2004", "Лес-2002" (Брянск, 2002, 2004); IV Международной конференции "Компьютеры и технологии 21 века" (Воронеж, 2003); II Международном симпозиуме по транспортной триботехнике "Транстрибо-2002" (С.-Петербург, 2002), Международной конференции молодых ученых Леса Евразии в III тысячелетии (Москва, 2001); Международной конференции "Математические и физические методы в экологии и мониторинге природной среды" МЕС2001 (Мытищи, 2001); на юбилейной научной сессии "50 години лесотехнически университет" (София, 2003); the
Second International Conference of Engineering Rheology ICER 2003 (Zielona Gora, 2003), на ежегодных научных сессиях Воронежской государственной лесотехнической академии.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 52 научные работы, в том числе 15 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата [1], [3-4], [10], [14-15], [21], [26], [29], [31], [33] - автором выполнены постановка задачи, вычислительный эксперимент, формулировка выводов; в работе [12] - математическая обработка экспериментальных данных и формулировка выводов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, приложения. Работа изложена на 340 страницах, содержит список литературы из 217 наименований, 65 рисунков, 5 таблиц.
Глубокая благодарность моему Учителю, доктору технических наук, Заслуженному деятелю наук Беларуси, профессору Зиновию Пинхусовичу Шульману
