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 |

Экспериментальные и теоретические исследования течений газожидкостных сред с высоким газосодержанием

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Данилов Илья Михайлович

Экспериментальные и теоретические исследования течений газожидкостных сред с высоким газосодержанием

Специальность: 01.02.05 – механика жидкости газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2010

Работа выполнена на кафедре физической механики Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)».

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, чл.-корр. РАН, профессор Сон Эдуард Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Стасенко А. Л.

доктор физико-математических наук,

профессор Осипцов А. Н.

Ведущая организация: Институт Океанологии РАН им. П.П. Ширшова г. Москва

Защита состоится 22 июня 2011 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.156.08 при Московском физико-техническом институте (государственном университете) по адресу: 141700, Московской обл., г. Долгопрудный, Институтский пер. д. 9, главный корпус, аудитория 119.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института (государственного университета).

Автореферат разослан “10” мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук Коновалов В.П.

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Настоящая работа посвящена экспериментальному изучению теплофизических свойств пузырьковой среды с большим газосодержанием и численному моделированию течения этой среды с протекающими в ней гетерогенными экзотермическими реакциями. Эта тема является актуальной по следующим причинам: а) кризисы теплоотдачи, возникающие в результате коалесценции пузырьков в пристеночном слое систем охлаждения ядерных реакторов; б) низкая производительность барботажных колонн, используемых в различных отраслях химической промышленности с) разгазирование нефти при нефтедобыче и нефтетранспортировке. Исследование пузырьковых сред представляет интерес и с фундаментальной точки зрения, так как наличие пузырьков приводит к следующим эффектам: высокой сжимаемости, сонолюминесценции, малой скорости распространения звука.

В химической промышленности давно назрела необходимость обновления морально устаревших (разработанных несколько десятилетий назад) газожидкостных реакторов, таких, как барботажные колонны и аппараты с мешалкой, и создания реакторов для проведение ранее не осуществимых в отечественной промышленности реакций, таких, как окисление изобутана. Производительность реактора на основе газожидкостных мелкодисперсных сред с высоким газосодержанием может значительно превышать производительность барботажных колонн и аппаратов с мешалкой. Помимо того, в потоке пузырьковой среды с высоким газосодержанием, можно получить устойчивый электрический разряд, что позволяет создавать устройства по очистке воды от загрязняющих примесей.





Цель работы.

1) Анализ современных подходов и методов экспериментального исследования и численного моделирования пузырьковых сред с высоким газосодержанием.

2) Разработка экспериментальных методов определения поля скоростей, эффективной вязкости (динамической и объемной), размера пузырьков, газосодержания в оптически непрозрачной газожидкостной среде с высоким газосодержанием.

3) Экспериментальное измерение ширины ударной волны для определения транспортных свойств пузырьковой среды с высоким газосодержанием.

4) Разработка физико-химической модели для описания газожидкостной среды с высоким газосодержанием, в которой протекают гетерогенные экзотермические реакции.

5) Разработка программного обеспечения для моделирования гетерогенных экзотермических реакций в микропузырьковых средах с высоким газосодержанием.

Научная новизна.

1) Впервые изучаются газожидкостные дисперсные среды с высоким (от 50% по объему и выше) газосодержанием, полученные при температуре, далекой от температуры кипения жидкости, и распространяющиеся со скоростью, превышающей местную скорость звука.

2) Впервые экспериментально изучено образование ударной волны в пузырьковой смеси с высоким газосодержанием при обтекании цилиндра и исследован процесс сопутствующего дробления пузырьков.

3) Задача впервые решалась экспериментально при следующих значениях параметров:

Объемное газосодержание = 0,5-0,85;

Число Рейнольдса пузырьковой смеси Re = 500-10000,

Время релаксации пузырька с, d (пузырьков) = 10 – 100 мкм

Число Нуссельта пузырьковой смеси Nu = 500 - 2500

Показатель адиабаты = 1,002

Число Маха пузырьковой смеси М = u/c= 1-2

4) В ходе анализа экспериментальных данных впервые обнаружена особенность пузырьковой среды – высокое значение эффективной вязкости по сравнению с вязкостью составляющих смесь жидкости и газа.

5) Показана адекватность численного метода на основе модели идеальной пузырьковой жидкости для моделирования течения газожидкостных сред с высоким газосодержанием.

6) Впервые численно рассчитан реактор по гетерогенному окислению углеводородов в пузырьковой среде с высоким газосодержанием и проведено сравнение результатов расчета с натурными экспериментами.

Практическая значимость

1) Зная теплофизические параметры пузырьковой жидкости в зависимости от газосодержания, можно рассчитать реакторы, которые заменят устаревшие. Принцип работы барботажных колонн заключается в барботаже жидкости пузырьками газа для создания развитой межфазной поверхности. Чем больше эта поверхность, тем больше продукта реакции получается в единицу времени. Максимальное объемное газонасыщение в этих устройствах – 20-30%. Создание пузырькового реактора с газосодержанием порядка 60-90% по объему поможет решить две проблемы:

а) в разы увеличить межфазную поверхность, а следовательно, увеличить выход реакции;

б) добиться стехиометрического соотношения компонентов, что автоматически сократит количество циклов, необходимое для полного реагирования исходного продукта.

2) Измеренные параметры массообмена пузырьковой среды позволят рассчитать реактор по плазменной очистке воды от загрязняющих веществ.

3) Созданный модуль в пакете прикладных программ Fluent дает возможность конструировать реакторы с высоким газосодержание для различных отраслей химической промышленности и для очистки загрязненной воды.

Основные положения, выносимые на защиту.

  1. Впервые разработан метод экспериментального измерения ширины ударной волны в газожидкостной оптически непрозрачной дисперсной среде с высоким газосодержанием позволяющий установить зависимость ширины ударной волны от газосодержания.
  2. Впервые разработан экспериментальный метод определения эффективной вязкости оптически непрозрачной пузырьковой среды с высоким газосодержанием.
  3. Впервые экспериментально определена эффективная вязкость пузырьковой среды в зависимости от газосодержания. Полученные зависимости позволяют проводить численное моделирование течения пузырьковых сред с высоким газосодержанием с протекающими в них гетерогенными экзотермическими реакциями.
  4. Разработана физико-химическая модель окисления изопропилбензола в газожидкостном реакторе с высоким газосодержанием.
  5. Модифицирован программный пакет Fluent для моделирования на нем течения идеальной пузырьковой жидкости с протекающими в ней химическими реакциями при больших газосодержаниях.
  6. На основе модифицированного программного пакета рассчитан и создан проточный газожидкостный реактор по окислению углеводородов при высоком газосодержании.

Апробация работы.



Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 51, 52, 53 научных конференциях Московского физико-технического института; на Всероссийской научной конференции и 3 школе им. академика Эммануэля. “Окисление, окислительный стресс, антиоксиданты”; на научной сессии МИФИ “Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях”;  на Всероссийской конференции “Механика и наномеханика структурно-сложных и гетерогенных сред. Успехи, проблемы, перспективы” (к 20-летию ИПРИМ РАН).

Достоверность результатов

Достоверность экспериментальных данных подтверждается повторяемостью эксперимента: валидацией полученных данных с большей погрешностью данными, полученными с меньшей погрешностью; применением различных методик для измерения одного и того же параметра; анализом полученных экспериментальных данных с точки зрения фундаментальных физических законов; а также качественным и количественным совпадением результатов с результатами приведенными в других экспериментальных работах.

Достоверность численных расчетов подтверждается физической обоснованностью и применимостью выбранной модели в рамках решаемой задачи, строгим выводом используемых уравнений из уравнений классической газодинамики, качественным и количественным совпадением результатов с численными результатами, полученными другими методами, и экспериментальными данными.

Личный вклад автора

a) Был создан полностью автоматизированный экспериментальный стенд по изучению свойств пузырьковой среды. Стенд сконструирован таким образом, чтобы в течение нескольких часов температура газожидкостной смеси поддерживалась постоянной +/-0,3°C. Для реализации незамкнутого цикла подачи воды, с целью предотвращения воздействия на показания приборов поглощенного воздуха была разработана электронная система управления подачей воды в установку, скоростью подачи воды, прерывания подачи для предотвращения поломки оборудования и затопления.

b) Впервые был разработан и отлажен метод калибровки термоанемометра в непрозрачной газожидкостной смеси с высоким газосодержанием при температуре, далекой от температуры кипения жидкости. Был разработан и реализован метод скоростной видеосъемки микропузырькового потока, в частности, подобраны углы взаимного расположения камеры и подсветки, были подобраны источники освещения, исходя из отражающей способности смеси, объективы с определенной глубиной резкости и разрешающей способностью. Был отлажен ультразвуковой метод измерения скорости потока в пузырьковой среде. Также был адаптирован метод PIV фирмы LaVision для построения поля скоростей пузырькового облака, возникающего при перепаде давления воды и для построения поля скоростей пузырьковой смеси.

c) Были проанализированы данные более 40 экспериментов, длительность каждого составляла 3-4 часа. Обработка включала в себя построение тарировочной кривой термоанемометра для определения скорости потока, обработку осциллограмм напряжения термоанемометра с целью изучения процессов, происходящих в ударной волне. По зависимости напряжения, подаваемого на зонд термоанемометра, от его положения относительно ударно-волнового цилиндра определена ширина ударной волны. Определен скачок и профиль скорости на ударной волне. Проведена обработка фотографий методом PIV и анализ полученных полей скоростей для калибровки термоанемометра, обработка данных ультразвукового профилометра скорости и верификация результатов, полученных методом PIV; обработка данных скоростной видеосъемки для определения объемного газосодержания, для анализа структуры ударной волны и для анализа особенностей течения в каналах различной площади.

d) Был создан и отлажен дополнительный код на C++ для использования пакета Fluent при расчетах газожидкостных дисперсных сред с высоким газосодержанием. Программный пакет Fluent позволяет проводить численные расчеты лишь при объемной доли дисперсной среды до 20%. Модернизация пакета позволила проводить расчеты при объемной доли дисперсной среды до 95%.

e) На модифицированном пакете Fluent был рассчитан реактор по окислению кумола с пузырьками воздуха при объемном газосодержании выше 50%. Были определены оптимальная геометрия реактора, отношения объемов воздуха и кумола, начальные температуры реакции, скорость подачи смеси для получения максимального КПД и избежания взрыва реактора.

f) Была изучена кинетика химической реакции окисления кумола и составлена схема наиболее вероятного хода цепного окисления кумола с учетом условий постановки эксперимента.

g) Было проведено сравнение данных численного моделирования и результатов эксперимента по окислению кумола, в результате которого получено хорошее совпадение.

h) Был подобран оптимальный с точки зрения погрешности измерения и специфичности реакции метод определения продуктов реакции в ходе окисления кумола кислородом воздуха. По результатам численного моделирования были предложены рекомендации для оптимизации экспериментальной установки по окислению кумола, при выполнении которых удалось получить уникальные экспериментальные данные по выходу реакции. Окисление кумола происходило в реакторе без дополнительного инициирования при 65°С.

Полученные результаты были доложены на 8 конференциях, опубликованы в 3 статьях (ВАК) и 1 европейском журнале с impact index 2,9 (2009).

Структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и списка цитируемой литературы (230). Объем диссертации составляет 151 страницу. Работа содержит 36 рисунков.

Содержание диссертации.

Во Введении обоснована актуальность, обозначены цели, научная новизна, практическая значимость работы. Приведены положения, выносимые на защиту. Приводится информация об апробации полученных данных и их достоверности, описан личный вклад автора.

В первой главе дается обзор существующих подходов для математического описания пузырьковых сред с химическими реакциями, теоретических и экспериментальных результатов, полученных в ходе исследования этих сред.

В разделе 1.1 рассматриваются области, в которых встречаются пузырьковые среды с акцентом на те из них, в которых основным критерием является высокое газосодержание и малый размер пузырьков.

В разделе 1.2 обозначена область исследования пузырьковых сред и рассматривается степень применимости различных подходов для решения поставленной задачи. Раздел начинается с рассмотрения общепризнанного метода взаимопроникающих континуумов для описания многофазных сред. Приводится система уравнений, описывающая течение пузырьковой среды с протекающими в ней химическими реакциями, основные предположения и допущения. Сложность реализации подхода заключается в необходимости экспериментального определения большого количества данных о межфазном взаимодействии газа и жидкости (тепловом, скоростном, фазовые переходы).

Далее рассмотрены: объединенный подход; подход везде соприкасающихся континуумов; метод тонких пленок; кинетический подход. Для каждого подхода приведены первопринципы, из которых он следует, и система уравнений, а также указаны причины, не позволяющие использовать каждый из них для поставленной задачи.

В конце раздела приводятся результаты исследования распространения ударных волн по химически активной и пассивной пузырьковой среде, пузырьковой детонации и сонолюминесценции.

В разделе 1.3 рассмотрены основные методы экспериментального исследования пузырьковых сред: термоанемометрия, PIV, LIF, conductive probe, optical probe, LDA, CARPT, CT и область их применимости. До настоящей работы все описанные методы использовались для исследования газожидкостных дисперсных сред с объемным газосодержанием до 40% (при температуре жидкости далекой от температуры кипения) и скоростях распространения среды до 5м/с.

В разделе 1.4 приведен краткий обзор доведенных до численной реализации методов моделирования, применяющихся для численного расчета течения многофазных газожидкостных сред с протекающими в них химическими реакциями.

Первым рассмотрен метод, основанный на подходе взаимопроникающих континуумов, и приведены замыкающие уравнения для системы уравнений (Смирнов Н. Н. и Зверев Н. И. “Гетерогенное горение”) описывающей гетерогенное горение пузырьковой смеси. Данный подход является наиболее подходящим из всех приведенных ниже для моделирования гетерогенного окисления в пузырьковых средах, т.к. этот метод не содержит принципиальных ограничений на объемную долю газа в смеси и на скорость распространения смеси, метод позволяет учитывать различные типы реакций. Применение его к конкретной задаче осложняется необходимостью экспериментального определения диаметра пузырьков, изменения диаметра пузырьков во времени и проверки выполнения полуэмпирических соотношений играющих замыкающую роль общей системы уравнений.

Далее рассмотрены методы функционала плотности, VOF и Lattice Boltzmann Method. В конце раздела приводятся известные автору результаты численных исследований; посвященных пузырьковым средам, чем ограничивается область исследования данной работы.

В заключительной части первой главы на основе обзора литературы делаются следующие выводы: 1) экспериментальные данные, относящиеся к большим газосодержаниям при температуре жидкости значительно ниже температуры кипения и сверхзвуковым скоростям распространения, в литературе не освещены; 2) реализованные численные методы для описания пузырьковых сред с большим газосодержаниям и протекающими химическими реакциями отсутствуют. В результате в данной работе предложен метод моделирования газожидкостной дисперсной среды с высоким газосодержаним и протекающими экзотермическими гетерогенными реакциями на основе модели идеальной пузырьковой жидкости. Для реализации этого метода необходимо экспериментально определить теплофизические параметры пузырьковой смеси при больших газосодержаниях.

Во второй главе приводятся схема и описание экспериментальной установки, описываются методики и результаты измерения скорости потока, ширины ударной волны, газосодержания, эффективной вязкости пузырьковой среды в зависимости от газосодержания. В заключение приводится обработка экспериментальных данных.

Раздел 2.1 начинается с описания физического представления пузырьковой жидкости, используемого в работе. В основе этого представления лежит модель идеальной пузырьковой жидкости

,

описывающая газожидкостную смесь как гомогенную среду с плотностью, близкой к плотности воды, и сжимаемостью, определяемой газовой фазой. Далее приводится описание методики измерения скорости в оптически непрозрачной среде с высоким газосодержанием и распространяющейся со скоростью выше местной скорости звука. В основе метода лежит термоанемометрия с постоянной температурой зонда. С опорой на предшествующие экспериментальные работы выбирается определенный тип зонда (пленочный с конусообразным окончанием), а также определяется закон, связывающий напряжение, подаваемое на зонд и скорость потока



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.