авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Некоторые аспекты взаимодействия электромагнитных полей с поляризующимися средами

-- [ Страница 1 ] --

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

ГАЛИМБЕКОВ АЙРАТ ДАМИРОВИЧ

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ С ПОЛЯРИЗУЮЩИМИСЯ СРЕДАМИ

01.04.14. Теплофизика и теоретическая теплотехника.

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени доктора

физико-математических наук

Научный консультант -

доктор технических наук

профессор Ковалева Л.А.

Уфа - 2007

Работа выполнена в Башкирском государственном университете

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Ковалева Лиана Ароновна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Лежнин Сергей Иванович

доктор физико-математических наук, профессор

Кислицын Анатолий Александрович

доктор физико-математических наук, профессор

Мигранов Наиль Галиханович

Ведущая организация: Институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова

Защита диссертации состоится ______________ 2007 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.013.04 в Башкирском государственном университете по адресу: 450057, г.Уфа, ул. Фрунзе, 32, физический факультет, ауд. 216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Башкирского государственного университета.

Автореферат разослан «____» __________ 2007 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.013.04

доктор физико-математических наук,

доцент Шарафутдинов Р. Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В последние годы возрос научный интерес к проблемам взаимодействия электромагнитных полей с веществом, причем, особый интерес представляет исследование воздействия на различные среды мощных высокочастотных и сверхвысокочастотных электромагнитных полей (ВЧ и СВЧ ЭМП). Этот интерес обусловлен перспективностью применения электромагнитного воздействия в наукоемких отраслях производства в целях интенсификации технологических и физико-химических процессов и управления ими путем непосредственного воздействия на рабочую среду. ВЧ и СВЧ технологические процессы получили широкое применение и распространение в различных областях промышленности: химической, в машиностроении, пищевой, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной, медицинской и др. Примерами таких применений электрических и магнитных полей являются технологии разделения составляющих неоднородной среды, а также разнообразные применения ВЧ и СВЧ ЭМП в технологических процессах нагрева и термообработки, сушки, размораживания и т. д.

В отличие от существующих методов воздействия на сплошную среду ВЧ и СВЧ ЭМ воздействие обладает рядом преимуществ. Так, во-первых, электромагнитные волны распространяются до полного затухания на достаточно большие расстояния вглубь объекта воздействия, и речь может идти о различных электрогидродинамических явлениях и управлении ими в глубинах рабочей среды. Во-вторых, при воздействии на материальные среды ВЧ и СВЧ ЭМП в среде за счет диссипации энергии электромагнитного поля в тепло возникают распределенные источники тепла. Значение плотности тепловых источников определяется видом (геометрией) распространяющейся в среде электромагнитной волны и диэлектрическими свойствами среды. Таким образом, при заданной геометрии волн для данной среды, изменяя частоту ВЧ и СВЧ ЭМП, возможно осуществление управляемых процессов взаимодействия ЭМП со средой (например, нагрев на заданную глубину).



Кроме того, известно, что воздействие ВЧ и СВЧ ЭМП, в отличие от квазистационарных ЭМП, обладает характерными особенностями:

1. Период изменения ВЧ и СВЧ ЭМП обычно намного меньше характерного времени задачи.

2. Частоты ВЧ и СВЧ ЭМП не ограничены условием малости по сравнению с частотами, характерными для установления электрической и магнитной поляризации, то есть, когда имеет место дисперсия диэлектрической и магнитной проницаемостей.

3. Из-за дисперсии, электромагнитная часть тензора напряжений является несимметричной и поэтому необходимо учитывать дополнительную - вращательную степень свободы. Учет вращательных степеней свободы связан с радикальным видоизменением и обобщением уравнений гидродинамики, так как момент импульса единицы объема реальной жидкости не сводится, вообще говоря, к одному лишь «внешнему» (или, как его часто называют механическому) моменту импульса , связанному с трансляционным движением, но и содержит еще и внутренний момент импульса , обусловленный собственным вращением частиц – носителей скрытого вращения, в качестве которых могут выступать сами молекулы среды или посторонние включения.

Таким образом, воздействие ВЧ и СВЧ ЭМП на сплошные среды качественно отличается от воздействия квазистационарных ЭМП и требует принципиально нового подхода к исследованию данных систем.

Вопросы, эффекты и особенности взаимодействия ВЧ и СВЧ ЭМП с различного рода средами составляют новое направление – высокочастотную электромагнитную гидродинамику (ВЧ ЭМГД). Ее теоретическую базу составляет взаимосвязанная система уравнений электродинамики, термодинамики и гидродинамики. Несмотря на разнообразные применения воздействия ВЧ и СВЧ ЭМП, теория этого вопроса применительно к рабочим средам, которые на практике в большинстве случаев представляют собой многофазную, многокомпонентную среду остается мало изученной.

Целью данной диссертации явилось:

Развитие нового направления исследований - высокочастотной электромагнитной гидродинамики (ВЧ ЭМГД) для поляризующихся дисперсных систем с учетом химических реакций, поверхностных явлений и адсорбционных процессов в пористой среде.

Задачи исследований:

1. Построение теории, анализ и обоснование системы уравнений, описывающих термо- и гидродинамические явления в многокомпонентных поляризующихся системах при воздействии ВЧ ЭМП с учетом химических реакций.

2. Использование построенной теории для исследования влияния ВЧ ЭМП на процессы фильтрации многокомпонентных взаиморастворимых углеводородов с учетом адсорбционных процессов.

3. Теоретическое исследование влияния электромагнитных полей на поверхностное натяжение полярных жидкостей.

4. Изучение влияния ВЧ ЭМП на реологию дисперсных систем (разбавленных суспензий).

Научная новизна:

1. Построена феноменологическая теория и получена система уравнений, описывающих термо- и гидродинамические явления в многокомпонентных поляризующихся системах при воздействии ВЧ ЭМП с учетом химических реакций.

2. Получен обобщенный закон действующих масс Гульдберга и Вааге на случай воздействия на многокомпонентную среду ВЧ ЭМП и исследовано влияние поля на «константу» химического равновесия и на скорость химических реакций.

3. Выводится и анализируется система уравнений, описывающая фильтрацию многокомпонентной среды при воздействии ВЧ ЭМП с учетом адсорбционных процессов (в том числе обобщенный закон Генри на случай воздействия на среду ВЧ ЭМП) и рассмотрена задача фильтрации углеводородной смеси в однородном ВЧ ЭМП с учетом конвективно-диффузионных и адсорбционно-десорбционных процессов.

4. Обнаружен эффект анизотропии коэффициента поверхностного натяжения относительно ориентации вектора напряженности электрического поля к поверхности жидкости.

5. Получены выражения для эффективной сдвиговой вязкости суспензий для случая малых и произвольных ВЧ ЭМП.

Практическая ценность работы

Термо- и гидродинамические эффекты, исследованные в данной работе, могут быть использованы в целях управления различными технологическими процессами.

В работе защищаются следующие положения:

1. Система уравнений, описывающая термо- и гидродинамические эффекты в многокомпонентных системах с химическими реакциями при воздействии на них ВЧ ЭМП.

2. Эффекты влияния ВЧ ЭМП на прямые процессы диффузии, теплопроводности и перекрестные эффекты Соре, Дюфура, а также влияние ВЧ ЭМП на «константу» химического равновесия (выражение для обобщенного закона действующих масс Гульдберга и Вааге для случая воздействия ВЧ ЭМП на многокомпонентную среду) и на скорость химических реакций.

3. Система уравнений, описывающая фильтрацию многокомпонентной среды при воздействии ВЧ ЭМП с учетом адсорбционных процессов.

4 Эффекты влияние ВЧ ЭМП на адсорбционные процессы при фильтрации многокомпонентных сред в пористой среде.

5 Явление анизотропии коэффициента поверхностного натяжения полярной жидкости относительно ориентации вектора напряженности электрического поля к поверхности жидкости.

6. Эффекты влияния ВЧ ЭМП на эффективную вязкость разбавленной суспензии.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной конференции «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкости» (Петродворец, 1998), Региональной конференции «Резонансные и нелинейные явления в конденсированных средах» (Уфа, 1999), XXIV Школе семинаре по проблемам механики сплошных сред в системах добычи, транспорта и переработки нефти и газа (Уфа, 2001), VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001), XXV Школе семинаре по проблемам механики сплошных сред в системах добычи, транспорта и переработки нефти и газа (Уфа, 2001), на семинаре в институте механики МГУ под руководством д. ф.-м. н., проф. В.В. Гогосова, 2001), XXVI Школе семинаре по проблемам механики сплошных сред в системах добычи, транспорта и переработки нефти и газа (г. Уфа, 2002), 13-ой Зимней школе семинаре по механике сплошных сред (Пермь, 2003), Международной конференции в Испании с докладом: «Impact of a high-frequency electromagnetic field upon multicomponent systems chemical reaction» (first International meeting on applied physics. - October 13-18 th 2003, Badajoz, Spain), Международной конференции в Словакии с докладом: «Thermodynamical Basis of a Radio - Frequency Electromagnetic Field Impact on Multicomponent Petroleum Fluids» (17-th European Conference on thermophysical properties, Bratislava, 5-7 September, 2005), 14-ой Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2005), Международной Уфимской зимней школе-конференции по математике и физике для студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2005), Всероссийской конференции «Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности» (Москва, 2007), Российской конференции «Механика и химическая физика сплошных сред» (Бирск, 2007).

Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано 32 печатные работы, в том числе 1 монография и 7 статей в центральных изданиях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 208 страницах машинописного текста, включая 17 рисунков, библиография из 170 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации сформулирована цель и задачи исследований, отмечена научная новизна полученных результатов, перечислены основные положения, выносимые на защиту, и дается краткое содержание работы.

В первой главе приводится аналитический обзор теоретических и экспериментальных работ по исследуемой в диссертации тематике.

Во второй главе на основе методов неравновесной термодинамики необратимых процессов последовательно излагается феноменологическая теория, описывающая физико-химические процессы в многокомпонентных средах при высокочастотном электромагнитном воздействии.

При построении феноменологической теории были приняты следующие предположения и упрощения:

1. Среда представляется гомогенной многокомпонентной смесью, состоящей из n компонентов.

2. Компоненты не содержат объемных электрических зарядов, не электропроводны, и на систему не действуют внешние объемные силы.

  1. Температуры компонентов равны:

4. В каждой точке континуума происходит R химических превращений согласно стехиометрическим уравнениям:

, (j=1,2,...,R),

где - молярная масса k-ого компонента; - стехиометрический коэффициент k-ого компонента в j-ой химической реакции.

5. Рассматриваемая n-компонентная гомогенная изотропная система подчиняется следующим уравнениям состояния:





где - соответственно вектора электрической и магнитной индукции; , - электрическая и магнитная постоянные; и - диэлектрическая и магнитная проницаемости, которые являются комплексными величинами, зависящими от круговой частоты ВЧ ЭМП , массовых концентраций компонентов (k=1,2,…, n), общей плотности системы , температуры среды :

где и - соответственно действительные и мнимые части диэлектрической и магнитной проницаемости; - мнимая единица.

Применяя методы неравновесной термодинамики необратимых процессов, получена полная система термо- и гидродинамических уравнений для поляризующихся и намагничивающихся многокомпонентных сред в ВЧ ЭМП с учетом химических реакций:

Уравнение неразрывности:

,

где - общая плотность системы; - плотность k-ого компонента; - скорость центра масс системы; - скорость k-ого компонента системы; - массовая концентрация k-ого компонента, причем массовые концентрации компонентов связаны выражением: .

Уравнение баланса массы с учетом диффузии компонентов:

здесь - диффузионный поток k-ого компонента, причем диффузионные потоки компонентов связаны выражением: ; - новые введенные стехиометрические коэффициенты, связанные с обычными стехиометрическими коэффицентами , используемых в химии:

;

-скорость j-ой химической реакции на единицу массы: ; - степень полноты j-ой химической реакции.

Уравнение баланса импульса:

где - давление, возникающее без учета воздействия ВЧ ЭМП; -оператор Гамильтона; -оператор Лапласса; - сдвиговая вязкость; - вторая вязкость; - объемная вязкость; - вращательная вязкость; -угловая скорость внутреннего вращения, которая относится к внутреннему вращению выбранного элемента массы континуума; ; - пондеромоторная сила:

Уравнение баланса для «внутреннего» момента количества движения:

здесь - макроскопическое среднее внутренних моментов инерции частиц, образующих единицу массы континуума; и - коэффициенты объемной и сдвиговой вращательной вязкости.

Уравнение для изменения энтальпии многокомпонентной среды:

где - удельная теплоемкость при постоянном давлении -ого компонента; - часть энтальпии -ого компонента, не зависящая от ВЧ ЭМ воздействия; - плотность потока тепла; -функция вязкой диссипации.

Уравнение для скорости j-ой химической реакции:

здесь - химическое сродство; - химический потенциал k-ого компонента на единицу объема:

- часть химического потенциала k-ого компонента на единицу объема, не зависящая от ВЧ ЭМ воздействия; - химический потенциал k-ого компонента на единицу массы; - часть химического сродства на единицу объема j-ой химической реакции, не зависящая от ВЧ ЭМ воздействия; - кинетический коэффициент.

Уравнение для k-ого диффузионного потока:

где - коэффициент термодиффузии, вклад которого характеризует эффект Соре: ; ; - энергия переноса массы; , - кинетические коэффициенты; - коэффициент, характеризующий вклад в термодиффузию ВЧ ЭМП:

- коэффициент диффузии: ; - коэффициент бародиффузии: ; - коэффициент, характеризующий вклад ВЧ ЭМП в бародиффузию:

, - коэффициенты, характеризующие вклад ВЧ ЭМП в диффузионные потоки, связанные с неоднородностью ЭМ поля:

,

.

Выражение для плотности потока тепла:

здесь -коэффициент теплопроводности: ; -кинетический коэффициент; - коэффициент, характеризующий вклад в теплопроводность ВЧ ЭМП:

-коэффициент диффузионного переноса тепла, характеризующий появление потока тепла при наличии градиентов концентраций (эффект Дюфура):

;

-коэффициент диффузионного переноса тепла, характеризующий появление потока тепла при наличии градиентов давлений:

;

- коэффициент, характеризующий вклад ВЧ ЭМП в тепловой поток при наличии градиента давлений:

, - коэффициенты, характеризующие вклад ВЧ ЭМП в тепловой поток, связанные с неоднородностью ЭМ поля:

,

.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.