Введение к работе
Актуальность темы. В современных процессах плазмохимичёских технологий, порошковой металлургии, плазменного и детойационно-газового напыления широко используются двухфазные газовые потоки," что обуславливает необходимость изучения взаимодействия газовой и дисперсной фаз. Многие из вышеназванных процессов характеризуются малой объемной концентрацией дисперсной фазы, хотя массовая концентрация может быть велика. Кроме того, материалы, участвующие в вышеперечисленных процессах, часто обладают пористой структурой и внутренние реакции могут оказывать влияние на состояние газовой фазы. В этом случае одной из центральных проблем расчета взаимодействия фаз является определение коэффициентов сопротивления, тепло- и массообмена одиночной частицы с учетом внутренних реакций в ее объеме. Экспериментальное получение этих параметров в диапазоне чисел Рейнольдса 0..1000 сопряжено со значительными трудностями, поэтому, особую актуальность приобретают теоретические исследования, результаты которых часто являются единственным источником информации о поведении температурных и концентрационных полей внутри и возле частицы. Однако расчет таких задач представляет собой сложную проблему, требующую решения "сопряжённых динамической, тепловой и диффузионной задач с учетом уравнений химической кинетики, термодиффузии, многокомпонентной диффузии и переменности теплофизических свойств. Поэтому получение точной информации аналитическими методами проблематично. Использование же методов математического моделирования гораздо эффективнее и позволяют не делать многих упрощающих модель допущений, что благоприятно сказывается на адекватности модели и делает ее более универсальной.
Изложенное определяет актуальность численного моделирования тепломассообмена сферической частицы с учетом внутренних и внешних реакций и обтекания ее газом, которое даст возможность получить поля теплофизических параметров как внутри, так и вне частицы.
Цель работы. Целью работы является построение модели, описывающей процессы тепломассообмена внутри частицы и нахождение .эффективного численного метода для решения сопряженной задачи телоомассообмена обтекаемой сферической
4 частицы в диапазоне умеренных чисел Реинольдса, а также проведение на основе разработанного метода численных исследований для выявления влияния кинетических параметров реакций внутри частицы, ее пористости, чисел Реинольдса, а также влияния внутренних и внешних реакций на локальные и интегральные параметры течения газовой смеси возле одиночной частицы. Научная новизна.
-
Предложена и численно реализована математическая модель нестационарной сопряженной задачи внутреннего тепломассообмена одиночной частицы, обтекаемой реакционноспособным газом.
-
Проведен анализ динамики гетерогенной химической реакции в объеме частицы и ее влияния на параметры газового потока и химическую реакцию в газовой фазе.
-
Исследовано влияние внутренних реакций на коэффициенты сопротивления, тепло- и массообмена частицы.
-
Получены данные о поведении дозвукового потока газа около сферической частицы при наличии одной гомогенной химической реакции между испаряющимся из частицы и натекающим компонентом смеси.
Практическая ценность. Результаты расчетов по разработанной в диссертации методике дают возможность определения коэффициентов тепло- и массообмена сферы, а также коэффициента сопротивления при наличии внутренней реакции в частице, испарения продукта реакции с ее поверхности и обтекания ее реагирующим газовым потоком. На защиту выносятся.
1. Методика расчетов для численного решения двумерной
сопряженной задачи внутреннего и внешнего тепломассопереноса
одиночной частицы и ее обтекания.
-
Результаты численного моделирования с использованием неявной многошаговой конечно-разностной схемы процесса образования, выхода и горения летучих соединений из одиночной частицы, обтекаемой потоком газа.
-
Результаты численного моделирования процесса восстановления материала частицы натекающим газом.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Ежегодной конференции Международной ассоциации студентов-физиков IAPS (СПбУ, С.Петербург, 1994), Междунарожной конференции "Промышленные проблемы СВС-технологий" (АлтГТУ, Барнаул, 1994), 3-ей юбилейной научно-
5 практической конференции Бийского технологического института (БТИ, Бийск, 1995), Научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава АлтГТУ (АлтГТУ, Барнаул, 1995), семинаре проф. В.М. Фомина (ИТПМ СО ТАН, 1996).
Содержание и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. (156 страниц текста, в т.ч. 27 рисунков, библиография - 98 наименований).
Автор выражает благодарность Кошелеву , К.Б. за консультации, ценные замечания и обсуждение результатов работы.
