Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Перенос вещества в диффузионном слое жидкости лежит в основе многих химических и электрохимических технологических процессов. Хорошо известно, что мелкомасштабное хаотическое движение жидкости вблизи межфазной границы резко снижает диффузионные ограничения, что используется для интенсификации химических процессов.
Типичным случаем является массоперенос в жидкости при турбулентном режиме течения. При высоких числах Рейнольдса течение теряет устойчивость, поле скорости во всем объеме имеет случайный, хаотический характер. Перемешивание жидкости, вызванное турбулентным движением, на порядки увеличивает скорость массопереноса по сравнению с молекулярной диффузией.
Другой случай, перенос вещества в условиях нестабильной свободной границы жидкости. Процесс массопереноса сопровождается выделением/поглощением тепла на межфазной границе. Изменения температуры вызывают изменения поверхностного натяжения, что порождает силы, приводящие жидкость в движение. При определенных условиях поверхностная конвекция может вызвать гидродинамическую неустойчивость и привести к резкому увеличению скорости массопереноса, что известно как эффект Марангони, по имени ученого, одним из первых занимавшимся этим явлением.
Два случая — турбулентное течение и покоящаяся жидкость с нестабильной свободной границей - имеют одну и ту же природу ускорения массопереноса. В первом случае мелкомасштабная конвекция вызвана неустойчивостью течения в объеме при больших числах Рейнольдса, во втором — неустойчивостью, порожденной поверхностными силами. В первом случае для ускорения массопереноса требуется создание условий для хаотического движения жидкости во всем объеме, во втором - для достижения такого же эффекта достаточно движения жидкости в тонком приповерхностном слое. Поверхностную конвекцию в литературе часто называют «межфазная турбулентность», чтобы подчеркнуть сходство этих явлений.
При течении жидкости с числом Рейнольдса меньше критического все возмущения скорости в потоке затухают со временем и течение имеет устойчивый ламинарный характер. При достижении чисел Рейнольдса, превышающих критическое значение, в потоке возникает полоса спектра возмущений скорости, которые не затухают со временем, что делает течение неустойчивым. С увеличением числа Рейнольдса расширяется спектр незатухающих пульсаций скорости. В полностью развитом турбулентном течении размер самых крупных пульсаций определяется размером всего потока, а самых маленьких зависит от вязкости жидкости. В случае
поверхностной конвекции представлена только мелкомасштабная часть спектра. С одной стороны, именно этот участок спектра, порожденный силами поверхностного натяжения, определяет скорость межфазного переноса вещества. С другой стороны, мелкомасштабная конвекция имеет много общего с течениями при числах Рейнольдса, незначительно превышающих критическое, что позволяет рассматривать последнюю как зарождающуюся турбулентность. Позволяет применять те же математические методы как при исследовании поверхностной конвекции, так и зарождающейся турбулентности.
Ввиду сложности проблемы массопереноса в условиях хаотической конвекции используют упрощающие модели. Такие модели позволяют детально анализировать явления и во многих случаях позволяют адекватно описывать реальные процессы.
Широкое распространение получила модель пассивной примеси. В этом
случае задачи гидродинамики и массопереноса разделяются. Задачу
массопереноса можно ставить при заданных гидродинамических
характеристиках течения.
Модель пассивной примеси применяется при описании турбулентного массопереноса вблизи твердой поверхности. Наиболее изученным является массоперенос при больших числах Шмидта. Именно такой случай Sc ~ 103 характерен для переноса в жидкостях. Теория Ландау и Левича позволила получить оценку закона затухания турбулентной диффузии вблизи твердой границы. В более поздних работах без использования полуэмпирических гипотез получено выражение для плотности турбулентного потока, что позволило замкнуть уравнение для средней концентрации.
Недостаток информации о характеристиках турбулентности — основная проблема описания турбулентного массопереноса при больших числах Шмидта. Следует сказать, что для Sc ~ 103 толщина диффузионного слоя составляет порядка десяти микрон, и такие методы, как термоанемометрия или визуализация течения, на столь малых расстояниях от стенки не дают результатов. Уникальным методом исследования пристенной турбулентности является разработанный Ханратти электрохимический метод. Последний заключается в измерении пульсаций тока электрода, вмонтированного заподлицо в твердую поверхность, обтекаемою потоком электролита. Пульсации тока электрода содержат информацию о локальной структуре турбулентности в вязком подслое. Интерес к такой информации не ограничивается только проблемами турбулентного массопереноса, но и помогает в решении фундаментальной проблемы турбулентности. В турбулентных течениях пульсации скорости порождаются именно в пристенной области, где градиент средней скорости максимален. Информация о структуре турбулентности в вязком подслое крайне важна для понимания процессов генерации турбулентности. Такая информация может
быть использована для оценки теорий вязкого подслоя, может служить , основой для создания методов гидродинамических расчетов.
Использование электрохимического метода требует построения теории этого метода. Требуется достаточно точное описание отклика диффузионного слоя электрода на пульсации скорости жидкости. Одно из ограничений использования электрохимического метода — проблема учета нелинейных членов в уравнении для пульсаций концентрации, или, что то же - проблема учета вклада высших моментов в уравнении для корреляционной функции пульсаций концентрации.
В диссертации приводится вывод замкнутого уравнения для коррелятора пульсаций концентрации, учитывающего вклад моментов третьего и более высокого порядков. Исследуются флуктуационные характеристики пристенного турбулентного массопереноса.
В случае массопереноса на границе жидкость — твердое тело пульсации скорости резко затухают при приближении к поверхности, что создает ограничения скорости массопереноса. Скорость массопереноса существенно зависит от числа Шмидта. Напротив, на свободной поверхности пульсации скорости не обращаются в ноль, они полностью снимают диффузионные ограничения массопереноса.
В диссертации рассматриваются условия возникновения поверхностной конвекции в сложных процессах массопереноса.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с проектами:
-
Проекты N2B000 и N2B003 от Международного научного фонда «Гидроэлектрохимическая структура межфазной границы турбулентный поток - твердый электрод» 1994-1995 гг.
-
Проект от Российского фонда фундаментальных исследований «Импедансная спектроскопия турбулентных потоков растворов электролитов».
-
Научный план стажировки в Нантском университете, Франция, 1993 г.
Цель работы.
Исследование нелинейных эффектов в диффузионном слое жидкости, что включает в себя:
1. Вывод замкнутого уравнения для корреляционной функции пульсаций
концентрации в пристенном турбулентном диффузионном слое.
-
Анализ флуктуационных характеристик пристенного турбулентного массопереноса.
-
исследование условий возникновения диффузионно - конвективной неустойчивости Марангони в сложных процессах массопереноса на свободной поверхности.
Научная новизна
1. Получено замкнутое уравнение для пространственно- временной
корреляционной функции пульсаций концентрации в диффузионном слое
жидкости, учитывающее вклад моментов третьего и более высокого порядка.
-
Исследованы спектральные свойства пульсаций плотности потока вещества на границе жидкость - твердое тело в условиях диффузионного слоя постоянной толщины. Показано существенное влияние высших моментов на спектр пульсаций плотности потока.
-
Получены выражения для спектра автокорреляционной функции пульсаций потока массы к поверхности протяженного электрода и взаимного спектра корреляции пульсаций потоков на двух протяженных электродах.
-
Выполнено численное решение задачи массопереноса в развивающемся турбулентном диффузионном слое. Получены приближенные аналитические формулы для плотности потока и суммарного потока вещества на активной поверхности. Вычислены границы применимости формул Левека и Мак Адамса,
-
Проведен расчет передаточных функций отклика диффузионного слоя микроэлектрода на пульсации скорости жидкости в установившемся гидродинамическом пограничном слое.
-
Исследованы 5 различных режимов массопереноса к поверхности дискового электрода в условиях хаотического объемного размешивания электролита. Определены условия режима равнодоступной поверхности электрода.
-
Исследован спектр автокорреляции пульсаций потока к поверхности дискового электрода в условиях повышенного уровня турбулентности, когда средняя скорость пренебрежимо мала по сравнению с интенсивностью турбулентных пульсаций. Выполнен расчет частотной характеристики отклика диффузионного слоя микроэлектрода на пульсации скорости жидкости. Показано влияние нелинейных эффектов на спектр пульсаций потока.
-
Определены условия возникновения конвективной неустойчивости Марангони в процессе десорбции из жидкости в газовую фазу, протекающем совместно с испарением жидкости.
-
Определены условия возникновения конвективной неустойчивости Марангони в процессе абсорбции, осложненной объемной химической реакцией.
Практическая ценность работы.
Результаты, полученные в диссертации, могут быть применены
1) при исследовании пристенной турбулентности электрохимическим
методом;
2) при моделировании турбулентного тепло- и массопереноса в химико -
технологических процессах на границе жидкость — твердое тело;
3) при разработке методов интенсификации процессов абсорбции, десорбции, хемосорбции; в том числе процессов очистки воды, очистки воздуха от углекислого газа в химии и медицине.
Апробация работы
. Основные результаты диссертации докладывались на следующих научных конференциях.
5-й Международный Фрумкинский симпозиум "Современные инструментальные методы в электрохимии. Фундаментальные и прикладные аспекты". Дубна 1991.
Internstional workshop "Electrochemical diagnostics of flows". Dourdan. 1993. -International workshop "Electrochemical Flow Measurements". Lanhstein. 1996.
4th International Conference on "Gas - Liquid and gas- Liquid -Solid Reactor Engineering". Delft. 1999.
Семинар МГУ no проблеме «Нелинейная динамика химических реакций, процессов и реакторов». Москва. 15 декабря 2005.
Московский семинар по горению и взрыву. Институт проблем механики РАН. Москва. 31 мая 2006.
Публикации: по материалам диссертации опубликовано 14 работ.
Структура и обьем диссертации: диссертация состоит из введения, 3 частей и заключения, содержит 168 страниц основного текста, 16 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 244 наименований и приложение. Общий объем - 197 страниц.
