Для корректного описания динамического, теплового и массового взаимодействия жидкости с пузырьками пара дополнительно привлекаются следующие предположения: для радиального движения пузырьков справедливо обобщенное уравнение Рэлея-Ламба; давление, плотность и температура внутри пузырьков однородны и удовлетворяют уравнению Клапейрона-Клаузиуса; интенсивность межфазного массообмена (конденсации пара или испарения жидкости) определяется разностью тепловых потоков на поверхности пузырьков со стороны паровой и жидкой фаз; поле температуры внутри пузырьков со стороны жидкой фазы является сферически-симметричным.
На основе системы дифференциальных уравнений одномерного нестационарного движения парожидкостной пузырьковой смеси, записанной в лагранжевых переменных, рассматривается следующая задача: имеется вертикальная труба. В нижней части этой трубы расположен непроницаемый поршень. Над поршнем в трубе находится слой равновесной парожидкостной пузырьковой смеси при давлении 1 бар и температуре 373 К. Пространство над слоем двухфазной пузырьковой смеси заполнено атмосферным воздухом. В начальный момент времени поршень выдвигается вниз, так, что давление на нем поддерживается постоянным и меньшим по величине, чем атмосферное давление. Ставится цель изучить процессы формирования и последующего взаимодействия со свободной поверхностью волны разрежения в пузырьковой смеси.
Сформулированная задача решалась численно с использованием методов Эйлера-Коши и прогонки. Расчеты выполнялись для смеси воды и водяного пара. Начальный радиус пузырьков полагался равным 1мм, исходное объемное паросодержание принималось равным 1%. Высота столба пузырьковой смеси составляла значение 1м. Давление на поршне, постоянное во все моменты волнового движения, равно 0.95 бар.
Расчетным путем получены профили параметров фаз и смеси в целом в формирующейся волне разрежения и в волне сжатия, образующейся на свободной границе после прихода туда волны разрежения. Кроме того, представлены расчетные «осциллограммы» параметров фаз и смеси в трех характерных сечениях трубы: непосредственно у поверхности поршня, в середине слоя пузырьковой смеси и в окрестности свободной поверхности. Вычисления проведены для двух случаев движения, соответствующих наличию (j≠0) и отсутствию (j=0) межфазного массообмена.
Данные численного эксперимента свидетельствуют, что при выдвигании поршня в трубе за образующейся волной разрежения в пузырьковой смеси, а также в волне сжатия, формирующейся в процессе отражения волны разрежения от свободной поверхности, имеет место межфазный массообмен в форме испарения жидкости в пузырьки (j≥0). Массообмен фаз весьма заметно влияет на структуры волн разрежения и сжатия в пузырьковых жидкостях. В частности, установлено, что при наличии испарения жидкости в пузырьки (j≠0) скорости волн заметно меньше аналогичных величин в смеси с «замороженным» массообменом (j=0). Очень существенное различие в изменениях радиусов пузырьков и объемных паросодержаний наблюдается в случаях j≠0 и j=0. Так при j>0 и j=0 относительные изменения радиуса пузырьков на моменты движения ~10мс соответственно составляют величины ~10% и 1%. Можно отметить также, что при наличии массообмена фаз в пузырьковой смеси (j≠0) наблюдаются монотонные структуры волн разрежения и сжатия. В идентичных же смесях без фазовых превращений имеют место осцилляционные структуры волн разрежения и сжатия.
При j>0 в каждый текущий момент волнового движения величина паросодержания наибольшая у поверхности подвижного поршня, а наименьшая - у свободной поверхности. Рост паросодержания у поршня и в произвольном сечении столба пузырьковой жидкости со временем носит монотонный характер. В смеси с j=0 распределение паросодержания в пространстве имеет немонотонный характер.
Таким образом, в результате выполненного исследования установлено, что на структуры волн сжатия и разрежения в пузырьковой смеси заметное влияние оказывает процесс испарения жидкости в пузырьки. Показано, что реактивная сила из-за межфазного массообмена препятствует развитию мелкомасштабного пульсационного движения пузырьков.
Библиографическая ссылка
Кутушев А.Г., Мамытов А.М. МЕЖФАЗНЫЙ МАССООБМЕН В ВОЛНАХ РАЗРЕЖЕНИЯ И СЖАТИЯ В ПАРОВОДЯНОЙ ПУЗЫРЬКОВОЙ СРЕДЕ // Современные наукоемкие технологии. – 2008. – № 4. – С. 111-112;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=23777 (дата обращения: 16.08.2024).