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 |

Исследование влияния акустического поля на тепло- массоперенос

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Тимошенко Игорь Владимирович

Исследование влияния акустического поля

на тепло- массоперенос

Специальность 01.04.06 – Акустика

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Таганрог 2008

Работа выполнена на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ).

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Чернов Н.Н.

(ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

СЕРБА П.В.

(ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)

кандидат технических наук

ПАНЧЕНКО П.В.

(ОАО ТА НТК им. Г.М. Бериева, г. Таганрог)

Ведущая организация: ОАО "Таганрогский завод "Прибой"

Защита диссертации состоится « 29 » августа 2008 г. в 1020 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.23 в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге.

Адрес: 347928, Ростовская обл., г. Таганрог, ул. Шевченко 2, ауд. Е-306

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной библиотеке Южного федерального университета.

Автореферат разослан « _ » июля 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

д.т.н., профессор Н.Н. Чернов

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Изучение теплообменных и массообменных процессов, как физического явления, имеет большое прикладное значе­ние для решения многих исследовательских и инженерных задач. Круг явлений, в которых существенны теплопроводность, диффузия и взаимосвязанный тепло- и массоперенос, чрезвычайно широк и затрагивает практически все области естествознания, начиная от атмосферных и геофизических явлений и до вопросов жизнедеятельности в биологии. Теплообменные и массообменные процессы в настоящее время нашли самое широкое применение в разных отраслях промышленности, от металлургии и нефтепереработки до пищевой промышленности и фармакологии. Для каждой из этих отраслей большое значение имеет интенсификация и оптимизация технологических процессов с целью получения высококачественной конкурентоспособной продукции, экономного использования сырья и эффективной утилизации отходов. Создание нового высокоэффективного тепло- и массообменного оборудования требует новых технических решений, основанных на применении различных физических методов. Одним из таких методов может быть использование энергии акустического поля. Воздействие ультразвука большой интенсивности на физико-химические процессы, связанные с тепло и массообменном, оказывает на них существенное влияние и может способствовать их заметной интенсификации.

При этом нужно учитывать, что «понимание физических механизмов ультразвуковых процессов есть единственная основа рационального подхода к конструированию технологической аппаратуры и выбору оптимальных режимов. Чисто эмпирический подход к решению этих вопросов не даёт сколько–нибудь удовлетворительных результатов, так как картина,



возникающая в звуковом поле высокой интенсивности, сложна и многообразна».

Математическое описание тепло- и массообменных процессов, происходящих в поле звуковых волн, применительно к реальным условиям относится к сложнейшим задачам механики сплошных сред. Одним из эффективных методов исследования такого класса задач является вычислительный эксперимент.

Сложность математического моделирования рассматриваемых явлений обусловлена, прежде всего, сложностью моделирования самих тепло- массообменных процессов, на которые накладываются сложности описания распространения звуковых волн, в большинстве случаев с учётом нелинейных эффектов: акустических течений, кавитации и т.д.

Проблемам исследования и математического моделирования тепло- и массообменных процессов в поле звуковых волн посвящено большое количество работ. Не претендуя на полноту, отметим работы лишь некоторых ученых, заложивших основы ультразвуковой технологии. Это работы Розенберга Л.Д., Архангельского М.Е., Борисова Ю.Я., Статникова Ю.Г. и др., в которых были предложены математические модели, описывающие воздействие ультразвука на диффузные, электро- химические процессы и др..

Вместе с тем, следует отметить, что ввиду сложности математического описания рассматриваемых явлений, большая часть исследований была проведена в экспериментальном плане, полученные зависимости скорости процессов от различных факторов, математические модели носят приближённый, полуэмпирический характер. Поэтому построение математических моделей, позволяющих исследовать тепло и массообменные явления, происходящие в природе, а так же в самых разных технических устройствах и технологических процессах является в настоящее время актуальной и практически значимой задачей.

Целью работы является исследование влияния акустического поля на тепло- массоперенос в двухфазных средах, разработка математических моделей и вычислительных алгоритмов расчета воздействия вихревых мелкомасштабных потоков, возникающих в акустических полях большой мощности, на диффузные процессы, позволяющих моделировать различные технологические процессы, а так же переносить результаты моделирования теплообменных систем на массообменные, ввиду их общего подобия.

Для достижения поставленных целей были рассмотрены следующие научные задачи:

  1. Получение безразмерных критериев подобия, характеризующих соотношение основных параметров тепло - массопереноса в условиях акустической конвекции.
  2. Разработка математической модели и методики расчета коэффициента теплопереноса (массопереноса) в гетерогенных средах в условиях акустической конвекции относительно полученных безразмерных критериев.
  3. Проведение численных исследований тепло и массообменных процессов в условиях акустической конвекции.
  4. Сопоставление расчетных результатов с результатами, полученными на физической модели теплообменной системы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. Предложена математическая модель диффузных процессов через границу раздела жидкость - твёрдое тело в условиях мелкомасштабных вихревых потоков, возникающих в акустических полях большой мощности, учитывающая общее подобие тепло и массообменных процессов.
  2. Получены аналитические выражения для коэффициентов тепло и массопереноса в условиях акустической конвекции.
  1. На основе общей теории подобия предложены безразмерные критерии подобия, характеризующие соотношение основных параметров тепло- массопереноса в условиях акустической конвекции.
  2. Предложена методика моделирования массообменных диффузных процессов на примере теплообменных физических моделей. Использование предложенной методики целесообразно ввиду большей технической сложности прямых замеров концентраций в исследуемых средах, в сравнении с замерами температуры.
  3. В процессе экспериментальной проверки полученных результатов путём математического моделирования была предложена методика определения степени влияния мелкомасштабных вихревых акустических потоков на скорость диффузных процессов с учётом установившегося пространственного распределения акустических волн в измерительном объёме с имеющейся конфигурации границы раздела жидкость- твёрдое тело.

Практическая значимость:

  1. Повышение точности расчетных методик для проектирования ультразвукового тепло- массообменного технологического оборудования при использовании разработанной математической модели;
  2. Повышение качества моделирования массообменных диффузных процессов в акустическом поле за счет переноса результатов исследования теплообменных физических моделей на массообмен ввиду их общего подобия;
  3. Повышение адекватности математических моделей за счет использования разработанной математической модели в составе более масштабных моделей, учитывающих влияние акустической конвекции.

Положения выносимые на защиту :

Безразмерные критерии подобия, характеризующие тепло- массоперенос в условиях акустической конвекции и степень влияния на него акустического поля, для оценки

  1. подобия моделируемых процессов.
  2. Математическая модель и методика математического моделирования диффузных процессов в условиях акустической конвекции, сформулированной относительно предложенных критериев подобия и учитывающей общее подобие тепло и массообменных процессов.
  3. Методика расчёта степени влияния мелкомасштабных вихревых акустических потоков на скорость диффузных процессов с учётом установившегося пространственного распределения акустических волн в рассматриваемом объёме с имеющейся конфигурацией границы раздела жидкость - твёрдое тело.

Реализация результатов работы. Представленные в работе результаты были получены при выполнении научно-исследовательской работы «Влияние акустических полей на тепловые, массообменные и механические процессы при переработке гидробионтов» ГБТ № 213/95-2000. Полученные результаты теоретических исследований и экспериментов, методы, модель и алгоритмы использовались в технологических процессах гальванического участка вагоноремонтного предприятия ООО «Трансвэй» на Московской железной дороге, производственного предприятия ООО «Демарк Восток» (г. Владивосток), а также в учебном процессе кафедры ЭГА и МТ.

Достоверность результатов обеспечивается обоснованным применением современной теории математического моделирования, использованием хорошо отработанных методик расчета и подтверждается согласованием теоретических результатов с экспериментальными данными.

Значительное место в диссертации занимает тестирование полученной математической модели путем сравнения получаемых решений с имеющимся экспериментальным материалом.

Апробация результатов работы. Разработанные методики и пакеты прикладных программ проходили апробацию в Дальневосточном государственном техническом университете (г. Владивосток) на кафедре «Гидроакустики», а так же в Рыбохозяйственном техническом университете (ДАЛЬРЫБВТУЗ) (г. Владивосток) в научно-исследовательской работе: «Влияние акустических полей на тепловые, массообменные и механические процессы при переработке гидробионтов». ГБТ № 213/95-2000.

Основные результаты работы докладывались на IV Всероссийской научной конференции с международным участием "Экология 2006 - море и человек" (г. Таганрог), на XVIII сессии РАО 11-14 сентября 2006 г. (г. Таганрог).

Публикации. По результатам диссертационной работы было опубликовано 5 статей, из них, одна - в издании, включённом в Перечень ВАК.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и трёх приложений. Содержание диссертации изложено на 139 страницах и включает 9 рисунков и 98 наименований отечественной и зарубежной литературы.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, обозначены цель и основные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, показаны научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту, приведено краткое содержание диссертационной работы.

В первой главе проведён обзор основных механизмов взаимодействия акустического поля с тепло- и массообменными процессами. Рассмотрены основные виды такого взаимодействия, явления, возникающие при этом и подходы, применяемые для их математического моделирования.

Во второй главе подробно рассмотрена задача теплопереноса через границу раздела жидкость - твёрдое тело в условиях акустической конвекции в жидкой среде.

Приведена общая постановка задачи о теплопереносе через границу раздела в безразмерном виде, а так же обобщение безразмерных условий задачи о теплопереносе на процессы массопереноса. Изложен подход к решению задачи учёта влияния акустического поля на величину коэффициента теплопереноса за счёт акустической конвекции. Приведено решение задачи определения общего вида коэффициента теплопереноса в условиях акустической конвекции из анализа его размерности, а так же путём решения краевой задачи для уравнения Прандтля.

Для нахождения численного решения краевой задачи о теплопереносе через границу раздела фаз необходимо знать - коэффициент теплопереноса через границу для заданных условий.

В общем случае, теплоперенос из жидкости в твердую среду происходит за счет теплообмена и массопереноса. В жидкой среде, вблизи границы раздела, при наличии конвекции, образуется некоторая область (пограничный

слой), механизм теплопереноса через которую существенно отличается от теплопереноса в толще воды и в твердой среде. Явления, происходящие в этой области, определяют скорость теплообмена через границу, поэтому в рассматриваемом случае целесообразно от рассмотрения распределения скорости и температуры во всем объеме текучей среды к их рассмотрению только в непосредственной близости от границы раздела с твердой средой. Это позволяет использовать более простые уравнения пограничного слоя. Уравнение переноса теплоты в плоском пограничном слое (уравнение Прандтля) для температуры, при отсутствии объёмных источников тепла, имеет вид:

, (1)




где Т – температурная разница между Т1 и Т2, (Т=Т2-Т1 ),

- относительная координата.

В условиях мощного акустического поля наблюдается ускорение процессов теплопереноса за счёт возникновения вихревых потоков на границе раздела с жидкостью, турбулизирующих пограничный слой. Степень ускорения напрямую зависит от параметров возникающих вихрей. Исходя из геометрии задачи можно установить, что наибольшее влияние на теплоперенос будут иметь потоки описанные Шлихтингом. Для стоячей волны , вблизи границы (при <<1) с точностью до величин ~2, выражение для тангенциальной составляющей скорости акустического потока в вязком пограничном слое вблизи границы имеет вид:

, (2)

где - толщина акустического

пограничного слоя;

- круговая частота акустических колебаний;

– амплитуда колебательной скорости;

c0 – скорость звука в жидкой среде.

Для нахождения величины коэффициента теплопереноса , в условиях мелкомасштабных вихревых потоков, нужно определить функциональное отношение между параметрами (показателями свойств) определяющими его значение в рассматриваемой термодинамической системе. Исходя из принципов теории подобия, искомое функциональное соотношение можно представить в виде комбинации безразмерных комплексов его параметров (критериев подобия) и числовых коэффициентов.

Исходя из размерности параметров, входящих в выражения (1) и (2) можно выразить в общем виде удельный коэффициент теплопереноса:

. (3)

Обозначим выражение в левой части равенства как:

[м/с]. (4)

Следуя методике анализа размерности, можно получить критериальное уравнение, описывающее теплообмен на границе раздела фаз в присутствии звуковых волн, относительно безразмерных параметров:

, (5)

где - критерий Прандтля.

Численные значения коэффициентов a, c и k, входящие

в выражение (5), можно определить экспериментально, исследуя физическую модель или теоретически, путём математического моделирования.

Для определения коэффициента теплопереноса путём математического моделирования запишем граничные условия для уравнения (1) в виде:

1) при x = 0 Т=Тст.=Т2-Т1; 2) при x . (6)

Для упрощения исходного уравнения, за счёт исключения нормальной составляющей скорости потока, воспользуемся переменной «функция тока» (подстановка Мизеса). Введем функцию тока такую, что

- линия тока, при этом:

и . (7)

После подстановки (7) в (1), получим уравнение:

. (8)

В соответствии с условиями рассматриваемой задачи подставим в уравнение (8) выражение (2) для тангенциальной составляющей скорости акустического потока в вязком пограничном слое.

Из выражения для функции тока (7), т.к. , полагая, что и можно выразить , после подстановки в (2) получим:

. (9)

Подстановка из (9) в (8) дает уравнение

. (10)


Pages:   || 2 | 3 |
 

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.