Введение к работе
Актуальность темы. Движение вязких сред в каналах круглого сечения широко распространенно в различных процессах химической технологии.
В химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей отраслях промышленности наиболее широко используются каналы круглого сечения, как составная часть технологических установок для осуществления химических, тепловых, массо- и ионообменных процессов. Процесс механического перемешивания остается наиболее эффективным способом интенсификации гидродинамических процессов и процессов тепло- и массообмена. Это объясняется высоким коэффициентом полезного действия механических перемешивающих устройств, простотой и надежностью их конструкций.
За последние годы в области фундаментальных исследований гидродинамики и процессов переноса в аппаратах достигнут значительный прогресс. Проведенные исследования позволили проникнуть в физический механизм перемешивания (транспортировки) и рассмотреть его различные стороны с единых теоретических позиций.
В тоже время наметился разрыв между достижениями в области создания новых материалов и разработки технологий и возможностями оборудования для их осуществления. Это, прежде всего, касается проведения высокоинтенсивных процессов (особенно в потенциально опасных средах), а так же осуществления сложных последовательных и последовательно-параллельных реакций. Повышение требований к качеству получаемых продуктов влечет за собой повышение требований к качеству и скорости перемешивания, транспортировки рабочих сред. Именно это определяет значимость исследований, направленных на создание аппаратов, позволяющих управлять интенсивностью процесса.
Решение поставленной задачи предполагает углубленное изучение влияния макро- и микроструктуры турбулентности на закономерности движения вязких сред и эффективность проектируемого оборудования. Проблемы влияния устойчивых когерентных образований и структуры турбулентных потоков на процессы переноса в них, хотя и рассматриваются в теоретической гидродинамике, но до сих пор не имеют инженерного приложения. В связи с этим весьма актуальным остается применением достижений теоретической гидродинамики к разработке научно-обоснованных методов расчета процессов и аппаратов химической технологии.
Предложена модель для расчета средней скорости диссипации энергии (диссипации мощности) при движении вязких сред в каналах круглого, в том числе и при наличии равномерно-зернистой (не равномерно-зернистой) шероховатости, а также в аппаратах с механическими перемешивающими устройствами.
Цель работы. Целью данной работы является построение единой физико-математической модели расчета скорости диссипации энергии для каналов круглого сечения и коаксиальных каналов с неподвижной и подвижной внутренней стенкой, применимой в широком диапазоне чисел Рейнольдса и шероховатости стенок.
Научная новизна. Теоретические исследования течения вязких сред для каналов круглого сечения и коаксиальных каналов с неподвижной и подвижной внутренней стенкой, проведены с использованием единого подхода, основанного на применении в качестве определяющего параметра - скорость диссипации энергии.
Для анализа закономерностей диссипации мощности в различных гидродинамических режимах течения, предложен метод, опирающийся на элементы теории диссипативных систем, предполагающий возможность одновременного существования двух механизмов диссипации мощности при переходе от ламинарного к турбулентному режиму течения.
Предложена единая физико-математическая модель расчета скорости диссипации энергии, применимая в широком диапазоне чисел Рейнольдса и шероховатости стенок.
Показано, что выражение для расчета скорости диссипации энергии в турбулентном потоке может быть определено, исходя из представлений о фрактальности турбулентности.
Практическая ценность. На основании проведенных исследований предложена инженерная методика расчета:
коэффициентов сопротивления трения по длине канала, применимая в широком диапазоне чисел Рейнольдса и значений шероховатости труб;
мощности, затрачиваемой на перемешивание в роторных аппаратах (для кйаксийльныл каналов с подвижной внутренней стенкой).
Разработанная методика поможет экономически обоснованному внедрению аппарата в промышленность.
Предложенный алгоритм позволит вести научно-обоснованную оптимизацию конструкции роторных аппаратов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Машины и аппараты химических производств» Санкт-Петербургского государственного технологического
института (технического университета), на XXI Международной научной конференции (Саратов, 2008)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов, приложений и списка литературы. Материал диссертации изложен на 148 страницах (из них 16 - приложения), содержит 32 рисунков, 56 формул и список литературы из 123 наименований.
