Іваницький Георгій Костянтинович. Тепломасообмін та гідродинаміка в парорідинних дисперсних середовищах, теплофізичні основи дискретно-імпульсного введення енергії

brief description

Іваницький Георгій Костянтинович. Тепломасообмін та гідродинаміка в парорідинних дисперсних середовищах, теплофізичні основи дискретно-імпульсного введення енергії: дис... д-ра техн. наук: 05.14.06 / НАН України; Інститут технічної теплофізики. - К., 2004.

Іваницький Г.К. Тепломасообмін та гідродинаміка в парорідинних дисперсних середовищах. Теплофізичні основи дискретно-імпульсного введення енергії. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю -5.14.06 технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Інститут технічної теплофізики НАН України, Київ, 2003.
Дисертація присвячена розробці нового підходу до вивчення динаміки парорідинних систем бульбашкової структури у явищах скипання, кавітації, в тому числі і в парорідинних потоках, з метою обгрунтування ефективних методів інтенсифікації технологічних процесів в дисперсних середовищах і створення новітніх енергозберігаючих технологій. Цей підхід базується на детальному аналізі тісної взаємодії нерівноважних термодинамічних процесів, що контролюють поведінку одиничної парової бульбашки під час релаксації парорідинної системи бульбашкової структури до стану рівноваги, а також на максимальному урахуванні усіх теплофізичних та термодинамічних факторів, які визначають специфічний характер динамічних, термічних та енергетичних ефектів, що виникають в парорідинних середовищах. В рамках цього підходу розроблено універсальні математичні моделі, які з єдиних термодинамічних позицій адекватно описують динаміку одиничної бульбашки, динаміку бульбашкових ансамблей і закономірності витікання скипаючої рідини через канали у широкому інтервалі режимних параметрів без застосування обмежуючих припущень. На базі цих моделей розроблено прикладні комп'ютерні програми для вирішення конкретних задач. В результаті проведення великой кількості обчислювальних експериментів одержано нову важливу інформацію і встановлено нові невідомі раніше закономірності поведінки бульбашкових систем у явищах кипіння та кавітації і при витіканні скипаючих потоків в каналах, що дозволило значно розширити наші уявлення про природу і характер цих явищ.

У дисертації наведено аналітичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що виявляється у розробці і обгрунтуванні нового підходу до вивчення закономірностей протікання тепломасообмінних та гідродинамічних процесів в парорідинних системах бульбашкової структури. У рамках запропонованого підходу, який базується на детальному урахуванні основних фізичних і термодинамічних факторів, які зумовлюють особливості протікання цих процесів на мікрорівні, розроблено уніфіковані математичні моделі, котрі з єдиних позицій описують динаміку одиничної бульбашки і бульбашкових ансамблів. В результаті виконання дисертаційної роботи створено ефективний і надійний інструмент дослідження закономірностей поведінки парових бульбашок і бульбашкових структур у явищах кавітації та кипіння, що забезпечує можливість отримання нової корисної інформації стосовно природи механізмів і процесів, які спричиняють виникнення потужних динамічних ефектів, притаманних цим явищам, і дозволяє суттєво розширити наші уявлення про природу цих явищ. Створені математичні моделі використовуються при визначенні динамічних та енергетичних показників конкретних масообмінних та диспергуючих апаратів, а також для аналізу технологічних процесів з метою контролю і оптимального управління. На базі цих моделей створено науково обгрунтовані методики розрахунків роботи апаратів і технологічних ліній, які базуються на ідеології принципу ДІВЕ.
Основні наукові і практичні результати досліджень
1. Обгрунтовано переваги принципу дискретно-імпульсного введення енергії як перспективного способу інтенсифікації гідромеханічних і масообмінних процесів в дисперсних рідинних середовищах, що забезпечує суттєве зменшення непродуктивних витрат енергії. Сформульовано загальні критерії ефективності механізмів ДІВЕ стосовно їх практичного використання для інтенсифікації технологічних процесів.
2. На основі термодинамічного аналізу протікання нерівноважних процесів у парорідинних середовищах розроблено універсальну математичну модель динаміки одиничної бульбашки (модель ДОБ), яка без введення обмежуючих припущень однаково точно відображує поведінку парових і парогазових бульбашок в усьому температурному інтервалі існування рідинної фази.
3. Розглянуто модифікацію традиційного інтегрального методу вирішення нестаціонарних задач теплопровідності, що розширює область застосування цього методу. На цій основі розроблено математичну схему, яка у разі включення її до структури моделі ДОБ дозволяє набагато точніше відображати поведінку пульсуючих бульбашок у явищах кавітації.
4. Порівняння результатів розрахунків по моделі ДОБ з результатами експериментів різних авторів підтверджує здатність моделі адекватно описувати поведінку бульбашок у явищах кипіння, вибухового скипання, гідродинамічної, парової та акустичної кавітації без застосування додаткових припущень. Модель ДОБ передбачає результати дослідів з кращим наближенням, ніж моделі інших авторів.
5. Чисельний аналіз результатів експериментальних досліджень динаміки бульбашок у явищах кипіння і кавітації за допомогою моделі ДОБ дає змогу виявити нові, невідомі раніше закономірності поведінки бульбашок.
6. Вперше детально вивчено особливості поведінки бульбашок у явищах парової кавітації і проаналізовано ступінь впливу режимних параметрів на динамічні характеристики бульбашок.
7. Визначено механізми переходу процесу стабільної пульсації бульбашок в акустичному полі у режим розвиненої кавітації і запропоновано простий метод розрахунку порогових величин параметрів, які визначають початок розвиненої кавітації.
8. Вперше виявлено наявність ефекту розходження двох пульсуючих в акустичному полі бульбашок, що суперечить відомому закону Бйоркнеса про силову взаємодію пульсуючих бульбашок.
9. Запропоновано і обгрунтовано гіпотезу термічної нестабільності парових бульбашок, яка логічно пояснює причини руйнування бульбашок в процесах кавітації.
10. Створено принципово нову модель ДБА, яка описує закономірності розвитку ансамблю бульбашок внаслідок швидкої зміни зовнішнього тиску. За допомогою моделі одержано нову інформацію стосовно поведінки сукупності парових бульбашок у процесах кипіння і кавітації.
11. Створено модель ПТША, призначену для аналізу структури мікротечій в міжбульбашковому просторі ансамблю і для визначення локальних величин тиску та вектора швидкості таких мікротечій. Навіть за умов помірного розвинення ансамблю градієнти цих величини можуть набувати аномально великих значень.
12. Запропоновано новий підхід до розробки математичних моделей парорідинних потоків, який, на відміну від існуючих підходів, забезпечує урахування усіх факторів нерівноважності і коректний опис фізики процесу. В рамках цього підходу створено модель АСП, яка базується на рівняннях моделей ДОБ і ДБА і призначена для аналізу процесів витікання скипаючої рідини через канали.
13. Показано, що модель АСП здатна адекватно прогнозувати закономірності процесу стаціонарного і нестаціонарного витікання скипаючих потоків у широкому інтервалі змінення режимних параметрів, а також точно передбачати витратні характеристики таких потоків без проведення попередніх дослідів.
14. На відміну від існуючих моделей модель АСП описує умови переходу до критичного режиму витікання і відтворює ефект запирання потоку без застосування будь-яких первісних припущень. Вперше встановлено, що у критичному режимі витікання зміна протитиску супроводжується змінюванням локальних параметрів двофазного потоку усередині каналу.
15. Вперше одержано інформацію стосовно характеру передачі імпульсу збурення протитиску усередину каналу назустріч потоку в критичному режимі витікання і розраховано швидкість передачі такого сигналу.
16. Наведені у роботі математичні моделі та розроблені на їх основі комп'ютерні програми використовуються при вирішенні практичних задач,при створенні і удосконаленні технологій, що базуються на принципах ДІВЕ. Створені математичні моделі мають знайти широке застосування як точний і надійний інструмент при дослідженні динаміки парорідинних середовищ бульбашкової структури.