|
|
Вестник Московского государственного областного университета. Серия Естественные науки 2018 2
 ISSN 2072-8360 Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки 2018 / № 2
УДК 533.15:536.25 DOI: 10.18384/2310-7189-2018-2-134-144 ×ÈÑËÅÍÍÎÅ ÌÎÄÅËÈÐÎÂÀÍÈÅ ÂÎÇÍÈÊÍÎÂÅÍÈß ÊÎÍÂÅÊÒÈÂÍÛÕ ÒÅ×ÅÍÈÉ ÏÐÈ ÊÂÀÇÈÑÒÀÖÈÎÍÀÐÍÎÌ ÑÌÅØÅÍÈÈ Â ÁÈÍÀÐÍÛÕ ÃÀÇÎÂÛÕ ÑÌÅÑßÕ ÏÐÈ ÐÀÇËÈ×ÍÛÕ ÓÃËÀÕ ÍÀÊËÎÍÀ ÄÈÔÔÓÇÈÎÍÍÎÃÎ ÊÀÍÀËÀКосов В.Н.1, Красиков С.А.2, Федоренко О.В.2
Казахский национальный педагогический университет имени Абая 050010, Алматы, проспект Достык, 13, Казахстан
НИИ Экспериментальной и теоретической физики
при Казахском национальном университете имени аль-Фараби 050040, Алматы, проспект аль-Фараби, 71, КазахстанАннотация. Методами численного моделирования проведено исследование квазистацио-нарного смешения в бинарных смесях, когда более тяжелый по плотности газ находится
верхней части диффузионного канала, а второй – в нижней части. Определены углы наклона, при которых происходит смена режима «диффузия – концентрационная гра-витационная конвекция». Проанализирована динамика структурированных конвективных течений при различных углах наклона. Получена зависимость интенсивности конвектив-ных течений от угла диффузионного канала для бинарной смеси 0,15 Ar + 0,85 N2 – N2.
Ключевые слова: диффузия,концентрация,конвекция,компонент смеси,массоперенос,угол наклона. NUMERICAL SIMULATION OF THE OCCURRENCE OF CONVECTIVE FLOWS AT QUASI-STATIONARY MIXING IN BINARY GASEOUS MIXTURES UNDER DIFFERENT SLOPE ANGLES OF THE DIFFUSION CHANNELV. Kossov1, S. Krasikov2, O. Fedorenko2
Abai Kazakh National Pedagogical University 050010, Almaty, Dostyk Ave. 13, Kazakhstan
Institute of Experimental and Theoretical Physics at al-Farabi Kazakh National University 050040, Almaty, al-Farabi Ave. 71, Kazakhstan
Abstract. Numerical simulation methods are used to study quasi-stationary mixing in binary mixtureswhen the density heavier gas is located in the upper part of the diffusion channel, and the second one is in the lower part. The slope angles, at which the regime changes from diffusion to concentration gravitational convection, are determined. The dynamics of structured convective flows at various angles of inclination is analyzed. The dependence of the intensity of convective flows on the slope angle of the diffusion channel for a binary mixture 0.15 Ar + 0.85 N 2 – N 2 is obtained. Key words: diffusion, concentration, convection, mixture component, mass transfer, angle ofinclination. © CC BY Косов В.Н., Красиков С.А., Федоренко О.В., 2018. 134
ISSN 2072-8360 Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки 2018 / № 2
|
|
|
Введение
|
|
|
по изучению конвективной неустой-
|
Разработка
|
подходов,
|
связанных
|
чивости в изотермических тройных
|
с очисткой газовых смесей, глубокой
|
газовых смесях [7, с. 600; 8, с. 18]. Не-
|
переработкой отдельных углеводород-
|
устойчивость
|
вызывает
|
появление
|
ных фракций в природном газе, раз-
|
концентрационной
|
гравитационной
|
делением одно- и многофазных систем
|
конвекции, которая приводит к си-
|
на компоненты с заданными свойства-
|
нергетическому эффекту, связанному
|
ми, является одной из базовых задач
|
со значительным увеличением ско-
|
развития газотопливного и энергети-
|
рости смешения компонентов систе-
|
ческого комплекса в Республике Казах-
|
мы. При этом реализуются условия,
|
стан до 2030 [12]. Поэтому инноваци-
|
связанные с приоритетным перено-
|
онные решения, связанные с очисткой,
|
сом компонента с наибольшим моле-
|
снижением экологической нагрузки на
|
кулярным весом [11, с. 139]. Интен-
|
окружающую
|
среду представляются
|
сивность суммарного массопереноса
|
актуальными и соответствуют при-
|
возрастает в десятки и сотни раз, что
|
оритетам
|
социально-экономического
|
можно использовать
|
для
|
получения
|
развития современного общества.
|
смеси, обогащенной тем или иным
|
Промышленное
|
разделение газо-
|
компонентом.
|
|
|
|
|
|
вых
|
систем традиционно
|
основано
|
Исходя из близкого сходства тер-
|
на
|
компрессионном,
|
абсорбционно
|
мо-концентрационной и изотермиче-
|
(адсорбционно)-десорбционном ме-
|
ской конвекции,
|
можно предложить
|
тодах разделения,
|
низкотемператур-
|
более простой и эффективный под-
|
ной
|
конденсации
|
и
|
ректификации,
|
ход, в котором предполагается, что
|
термо-гравитационных, мембранных
|
гидродинамической системой, в ко-
|
и гибридных подходах [4, с. 188; 10,
|
торой осуществляется разделение га-
|
с. 14; 13, с. 193]. Использование тер-
|
зообразных смесей, может выступать
|
мо-гравитационного метода для про-
|
изотермический
|
неоднородный
|
по
|
мышленного разделения, а также на-
|
плотности слой с существенными от-
|
учных целей
|
предполагает
|
наличие
|
личиями в коэффициентах диффузии
|
информации об особенностях тепло-
|
[14, с. 129; 15, с. 130]. Для прикладных
|
вой конвекции и термодиффузион-
|
решений разделения газовых смесей
|
ных характеристиках массопереноса.
|
это означает не только значительное
|
Если для изотопных и бинарных сме-
|
уменьшение параметров, связанных с
|
сей экспериментальные исследования
|
термодиффузионным
|
разделением
|
и
|
и аналитические решения позволяют
|
оценкой влияния тепловой конвекции
|
получить
|
соответствующие
|
данные
|
на парциальный перенос, но и более
|
[16, с. 69], то в многокомпонентных
|
экономичное
|
технологическое реше-
|
системах
|
возможно
|
возникновение
|
ние разделительных устройств, так как
|
особых режимов смешения, что не
|
значительно
|
сокращаются
|
расходы,
|
позволяет
|
автоматически
|
|
распро-
|
связанные с поддержкой заданных пе-
|
странять на них подходы, апроби-
|
репадов температур. Как и для случая
|
рованные для случая смешения двух
|
термо-гравитационной конвекции [5,
|
компонентов.
|
Примером
|
|
таковых
|
с. 102; 6, с. 62], изотермическим раз-
|
являются
|
результаты
|
исследований
|
делением в газах можно управлять за
| 135
ISSN 2072-8360 Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки 2018 / № 2
счет изменения внешних параметров,
|
|
|
|
Постановка задачи
|
например, меняя угол наклона диф-
|
Тепло-массообмен в устройствах,
|
фузионного канала, в котором проис-
|
подобных устройствам для разделе-
|
ходит изотермическое смешение. В ус-
|
ния газовых смесей, моделируется с
|
ловиях
|
|
изотермичности регистрация
|
помощью уравнений Навье – Стокса, а
|
кинетических
|
фазовых
|
|
переходов,
|
а
|
также законов, описывающих сохране-
|
также сравнение интенсивности над-
|
ния массы, импульса и энергии среды.
|
критических течений
|
происходит
|
не
|
Кроме этого, используются уравнения
|
для однородной среды (как для тер-
|
состояния компонентов текучей среды
|
мо-гравитационной конвекции), а для
|
и эмпирические зависимости вязко-
|
смесей. Предельным случаем много-
|
сти и теплопроводности компонентов
|
компонентных смесей является со-
|
среды от температуры. Для моделиро-
|
став из двух компонентов. Специфи-
|
вания турбулентных течений в урав-
|
ка изотермического
|
конвективного
|
нении
|
Навье–Стокса
|
используется
|
смешения в бинарных смесях и его
|
усредненное по малому масштабу вре-
|
особенности при переходе из диффу-
|
мени влияние турбулентности на па-
|
зионного состояния в конвективное в
|
раметры потока, а крупномасштабные
|
вертикальных каналах описаны в [1,
|
временные изменения осредненных по
|
с. 27; 9, с. 502]. Однако изучение квази-
|
малому масштабу времени составля-
|
стационарного смешения в наклонном
|
ющих
|
|
газодинамических параметров
|
канале для двух газов носит эпизоди-
|
потока учитываются введением соот-
|
ческий характер [3, с. 77], а для трой-
|
ветствующих производных по време-
|
ных и многокомпонентных смесей –
|
ни. В результате уравнения имеют до-
|
практически отсутствует. Поэтому для
|
полнительные члены – напряжения по
|
всестороннего изучения особенностей
|
Рейнольдсу, а для замыкания этой си-
|
разделения в изотермических газовых
|
стемы уравнений используются урав-
|
смесях в наклонном канале необходи-
|
нения переноса кинетической энер-
|
мо изучить особенности возникнове-
|
гии турбулентности и ее диссипации
|
ния структурированных течений для
|
в рамках k – ε модели турбулентности.
|
предельного случая, т. е. для смесей,
|
Эта система уравнений сохранения
|
состоящих из двух компонентов, что и
|
массы, импульса и энергии нестацио-
|
является целью данной работы.
|
|
|
нарного пространственного течения
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
имеет следующий вид [2, с. 228–231]:
|
|
|
|
|
y
|
ui0,
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t
|
|
x
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ui
|
|
|
|
|
|
ui u j
|
|
p
|
|
|
|
ij ijR Si,i= 1, 2, 3
|
|
(2)
|
|
t
|
|
|
|
|
xi
|
|
|
|
|
|
x j
|
|
|
|
|
|
xj
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H
|
|
pui H
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R
|
|
p
|
R ui
|
|
|
|
t
|
|
|
|
|
|
x
|
|
|
x
|
|
u j
|
ij ij qi
|
|
t
|
ij
|
x
|
j
|
S i ui,
|
(3)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i
|
|
|
|
|
j
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H h
|
u2
|
,
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Скачать 0.93 Mb.