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:
Получение безразмерных критериев подобия, характеризующих соотношение основных параметров тепло - массопереноса в условиях акустической конвекции.
Разработка математической модели и методики расчета коэффициента теплопереноса (массопереноса) в гетерогенных средах в условиях акустической конвекции относительно полученных безразмерных критериев.
Проведение численных исследований тепло и массообменных процессов в условиях акустической конвекции.
Сопоставление расчетных результатов с результатами, полученными на физической модели теплообменной системы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
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.
Получены аналитические выражения для коэффициентов тепло и массопереноса в условиях акустической конвекции.
На основе общей теории подобия предложены безразмерные критерии подобия, характеризующие соотношение основных параметров тепло- массопереноса в условиях акустической конвекции.
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.
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:
Повышение точности расчетных методик для проектирования ультразвукового тепло- массообменного технологического оборудования при использовании разработанной математической модели;
Повышение качества моделирования массообменных диффузных процессов в акустическом поле за счет переноса результатов исследования теплообменных физических моделей на массообмен ввиду их общего подобия;
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
подобия моделируемых процессов.
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.
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:
 ,
|
(0)
|
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:
 ,
|
(0)
| |
