Главная страница
Навигация по странице:

  • БЛАГОДАРНОСТИ

  • ACKNOWLEDЕGMENTS

  • ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

  • INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

  • ПРАВИЛЬНАЯ ССЫЛКА НА СТАТЬЮ

  • FOR CITATION

    		•

    Вестник Московского государственного областного университета. Серия Естественные науки 2018 2


    Скачать 0.93 Mb.
    НазваниеВестник Московского государственного областного университета. Серия Естественные науки 2018 2
    АнкорSRHSE
    Дата22.08.2020
    Размер0.93 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаchislennoe-modelirovanie-vozniknoveniya-konvektivn-h-techeniy-pr.doc
    ТипДокументы
    #135918
    страница3 из 3
    1   2   3
    137




    ISSN 2072-8360 Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки 2018 / № 2


    где σc = 0,9, Pr – число Прандтля, cp
    – удельная теплоемкость при постоян-ном давлении, Т – температура теку-чей среды.
    Для многокомпонентных газовых
    смесей изменение концентраций ком-понентов смеси в пространстве вслед-ствие диффузии моделируется следую-щими уравнениями:




    y



    u k
    yi






    Dij
    Dijt
    y j









    i


















    , i = 1, 2, ….N,
    (10)




    xk



    xk

    t






    xk















    где: yi – концентрация i–го компо-

    N

    нента смеси yi 1 , N – число компо-

    i 1
    нентов смеси, Dij, Dijt – коэффициенты молекулярной и турбулентной диф-фузии, которые подчиняются закону

    Фика, так что Dij D ij , Dijt ij t , где D – коэффициент диффузии, σ – тур-




    булентное число Шмидта.

    Для решения системы уравнений (1)-(10) была создана, с помощью па-кета SolidWorks, виртуальная модель типового двухколбового аппарата для изучения особенностей процессов смешения, диффузионного и конвек-тивного массообмена.


    Рис. 1. Виртуальная численная модель двухколбового аппарата.



    138




    ISSN 2072-8360 Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки 2018 / № 2


    Особенностью данной конструк-ции является применение диффу-зионного канала, который является модельным каналом для разрабатыва-емой авторами технологии разделения углеводородных газовых смесей.
    Система уравнений (1)–(10), опи-сывающая процессы в разделительном диффузионном аппарате, решалась ме-тодом конечных объемов для создан-ной виртуальной численной модели установки с помощью пакета Flow Sim-ulation. Использовались следующие начальные условия: вверху размеща-лась смесь 0,15 Ar + 0,85 N2, а нижняя колба заполнялась N2; угол наклона от вертикали изменялся от 0 до 90 граду-
    сов; давление рабс = 0,6 МПа (ризб = 0,5 МПа); время – 180 с. Геометрические
    параметры тестируемого канала сле-дующие: a = 6·10-3 м, b = 30·10-3 м, L = 0,165 м.
    Результаты численного расчета приведены на рис. 2 и 3. Анализ полу-ченных результатов позволяет опреде-лить следующие особенности конвек-тивного массопереноса, возникающие на границе перехода кинетических ре-жимов при различных углах наклона диффузионного канала. При угле на-клона к вертикали в 5 можно наблю-дать увеличение структурообразова-ния, что приводит к интенсификации массообмена. Дальнейшее увеличение угла наклона не оказывает влияния на интенсивность массопереноса. По-видимому, в указанном диапазоне [0°; 40°] наблюдается упорядоченное движения тяжелых и легких конвек-тивных структур в диффузионном канале, т. е. более тяжелые структуры смещаются в нижнюю часть канала, а

    легкие встречные – в верхнюю часть. Тем самым уменьшается сопротив-ление массообмену. При дальнейшем увеличении угла наклона наблюдается снижение интенсивности массообме-на, вызванное уменьшением проекции вектора гравитации на ось диффузи-онного канала, т. е. уменьшаются силы, обеспечивающие конвективную транс-портировку более тяжелых структур к нижней колбе.


      • районе 70–80 наблюдается пере-ход конвективного массопереноса к диффузионному. Происходит умень-шение структурированных формиро-ваний в конвективных течениях и воз-никновение противотоков по стенкам канала.


    При горизонтальном расположе-нии канала в нем реализуется класси-ческая диффузия, описание которой можно проводить в рамках традици-онных представлений [17, с. 20]. На рис. 2 при α = 90° отчетливо фиксиру-ется монотонное распределение изо-концентрационных линий по длине канала.
    На рис. 3 представлена обобщенная зависимость интенсивности переноса аргона в квазистационарном режиме смешения при различных углах на-клона. Данные рис. 3 отчетливо пока-зывают характерные этапы смешения: диффузия, переходный режим, уста-новившиеся течения. Приведенные результаты качественно согласуются


    • данными [1, с. 27; 3, с. 77; 9, с. 502], в которых опытным путем были заре-гистрированы границы кинетических фазовых переходов в изотермических бинарных газовых смесях.

    139




    ISSN 2072-8360 Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки 2018 / № 2



    а) б)



    в) г)



    д) е)
    Рис. 2. Численное моделирование массопереноса во фронтальном и поперечном срезе
    разделительного канала в системе 0,15 Ar + 0,85 N2 – N2 при Т = 298,0 К: а) α = 5°;
    б) α = 40°; в) α = 60°; г) α = 70°; д) α = 80°; е) α = 90°.




    140




    ISSN 2072-8360 Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки 2018 / № 2





    Рис. 3. Зависимость концентрацииAr(перешедшей из верхней колбы)
    от угла наклона к вертикали.


    Таким образом, численные исследо-вания показали, что в предельном для многокомпонентных смесей случае смешения бинарных систем в наклон-ном канале имеет место специфика возникновения конвективных течений на границе кинетического фазового перехода.
    Заключение
    Несмотря на кажущуюся очевид-ность и естественность возникнове-ния концентрационной гравитаци-онной конвекции в изотермических бинарных газовых смесях в наклонных



    каналах, установлено, что переход от диффузионного смешения к конвек-тивному возникает при определен-ном угле наклона. Граничные течения
    сопровождаются возникновением структурированных формирований, обеспечивающих возникновение про-тивотоков за счет действия концентра-ционного градиента и наклона слоя. Существует интервал углов наклона, при которых интенсивность гранич-ных течений практически не изменя-ется.
    Статья поступила в редакцию 14.05.2018



    БЛАГОДАРНОСТИ
    Работа выполнена в рамках проекта № AP05132427 «Реализация принципа конвектив-ных сепараторов в наклонных каналах» Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан.
    ACKNOWLEDЕGMENTS
    Work is executed within the framework of project № AP05132427 “Realization of principle of convective separators in the sloping channels” of the Committee of Science of the Ministry of Education and Science of the Republic of Kazakhstan.



    141




    ISSN 2072-8360 Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки 2018 / № 2


    ЛИТЕРАТУРА


    1. Александров О.Е., Селезнев В.Д. Зависимость скорости смешения от давления при свободной конвекции бинарной смеси газов в двухколбовом аппарате // Журнал тех-нической физики. 2016. Т. 86. Вып. 7. С. 26–30.




    1. Алямовский А.А., Собачкин А.А., Одинцов Е.В., Харитонович А.И., Пономарев Н.Б. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике. Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2008. 1040 с.




    1. Анкушева Н.Б., Косов В.Н., Селезнев В.Д. Влияние наклона диффузионного канала на устойчивость механического равновесия в изотермических бинарных газовых сме-сях // Прикладная механика и техническая физика. 2010. Т. 51. № 1. С 75–78.

    2. Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа. Уфа: Гилем, 2002. 672 с.




    1. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.: Наука, 1972. 392 с.

    2. Демин В.А. Конвективные сепараторы // Прикладная физика. 2013. № 4. С. 60–67.




    1. Дильман B.B., Липатов Д.А., Лотхов В.А., Каминский В.А. Возникновение неустойчи-вости при нестационарном испарении бинарных растворов в инертный газ // Теоре-тические основы химической технологии. 2005. Т. 39. № 6. С. 600–606.

    2. Косов В.Н., Жаврин Ю.И. Образование структур и концентрационная конвекция при изотермической диффузии в трехкомпонентных газовых смесях через перемен-ное число каналов равной площади // Письма в журнал технической физики. 1993. Т. 19. Вып. 10. С. 18–21.




    1. Косов В.Н., Жаврин Ю.И., Анкушева Н.Б. Конвективные режимы смешения в бинар-ных системах при неустойчивости механического равновесия газовой смеси // Инже-нерно-физический журнал. 2008. Т. 81. № 3. С. 501–507.




    1. Косов В.Н., Кульжанов Д.У., Жаврин Ю.И., Красиков С.А., Федоренко О.В. Особенности разделения углеводородных изотермических газовых смесей при конвективной диффу-зии / Под ред. чл.- корр. НАН РК, проф. В.Н. Косова. Алматы: MV-Принт, 2014. 144 с.




    1. Косов В.Н., Селезнев В.Д., Жаврин Ю.И. Эффект разделения компонентов при изо-термическом смешении тройных газовых систем в условиях свободной конвекции // Журнал технической физики. 1997. Т. 67. Вып. 10. С. 139–140.




    1. Концепции развития топливно-энергетического комплекса Республики Казахстан до 2030 года. http://adilet.zan.kz/rus/docs/P1400000724/compare .

    2. Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа. М.: Хи-мия, 2001. 568 с.

    3. Патент Республики Казахстан № 26884. Устройство разделения газовой смеси / Жав-рин Ю.И., Косов В.Н., Красиков С.А., Федоренко О.В. // Промышленная собствен-ность. 2013. Бюл. 12б. С. 129.

    4. Патент Республики Казахстан № 26885. Способ разделения газовой смеси / Жаврин Ю.И., Косов В.Н., Красиков С.А., Федоренко О.В. // Промышленная собственность. 2013. Бюл. 12б. С. 129–130.




    1. Рыжков И. И. Термодиффузия в смесях: уравнения, симметрии, решения и их устой-


    чивость. Новосибирск: СО РАН, 2013. 200 с.


    1. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача. Пер. с англ. М.: Химия, 1982. 695 с.


    REFERENCES


    1. Aleksandrov O.E., Seleznev V.D. [The dependence of the rate of mixing on pressure in free convection of a binary mixture of gases in dvuhgorbogo apparatus]. In: Zhurnal tekhnich-eskoi fiziki, 2016, vol. 86, no. 7, pp. 26–30.






    142




    ISSN 2072-8360 Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки 2018 / № 2




    1. SolidWorks 2007/2008. Komp'yuternoe modelirovanie v inzhenernoi praktike [SolidWorks 2007/2008. Computer simulation in engineering practice]. Alyamovskii A.A., Sobachkin A.A., Odintsov E.V., Kharitonovich A.I., Ponomarev N.B. SPb., BKHV-Peterburg Publ., 2008. 1040 p.




    1. Ankusheva N.B., Kosov V.N., Seleznev V.D. [The effect of diffusion channel inclination on stability of mechanical equilibrium in isothermal binary gas mixtures]. In: Prikladnaya me-khanika i tekhnicheskaya fizika, 2010, vol. 51, no. 1, pp. 75–78.




    1. Akhmetov S.A. Tekhnologiya glubokoi pererabotki nefti i gaza [Technology of deep pro-cessing of oil and gas]. Ufa, Gilem Publ., 2002. 672 p.

    2. Gershuni G.Z., Zhukhovitskii E.M. Konvektivnaya ustoichivost' neszhimaemoi zhidkosti [Convective stability of incompressible fluid]. Moscow, Nauka Publ., 1972. 392 p.

    3. Demin V.A. [Convective separators]. In: Prikladnaya fizika, 2013, no. 4, pp. 60–67.




    1. Dil'man B.B., Lipatov D.A., Lotkhov V.A., Kaminskii V.A. [The occurrence of instabilities in nonstationary evaporation of binary solutions in an inert gas]. In: Teoreticheskie osnovy khimicheskoi tekhnologii, 2005, vol. 39, no. 6, pp. 600–606.




    1. Kosov V.N., Zhavrin Yu.I. [Formation of structures and concentration convection in iso-thermal diffusion in ternary gas mixtures through a variable number of channels of equal area]. In: Pis'ma v zhurnal tekhnicheskoi fiziki, 1993, vol. 19, no. 10, pp. 18–21.




    1. Kosov V.N., Zhavrin Yu.I., Ankusheva N.B. [Convective regimes of mixing in binary sys-tems with the mechanical equilibrium instability of a gas mixture]. In: Inzhenerno-fizicheskii zhurnal, 2008, vol. 81, no. 3, pp. 501–507.




    1. Osobennosti razdeleniya uglevodorodnykh izotermicheskikh gazovykh smesei pri konvek-tivnoi diffuzii [Features of the isothermal separation of hydrocarbon gas mixtures in the convective diffusion]. Kosov V.N., Kul'zhanov D.U., Zhavrin Yu.I., Krasikov S.A., Fedorenko O.V. Almaty, MV-Print Publ., 2014. 144 p.




    1. Kosov V.N., Seleznev V.D., Zhavrin Yu.I. [The effect of separation of the components in an isothermal mixture of triple gas systems under free convection]. In: Zhurnal tekhnicheskoi fiziki, 1997, vol. 67, no. 10, pp. 139–140.




    1. Kontseptsii razvitiya toplivno-energeticheskogo kompleksa Respubliki Kazakhstan do 2030 goda [The concept of development of fuel and energy complex of Kazakhstan until 2030]. In: Informatsionno-pravovaya sistema normativnykh pravovykh aktov Respubliki Kazakh-stan [The legal information system of normative legal acts of the Republic of Kazakhstan[website]. Available at: http://adilet.zan.kz/rus/docs/P1400000724/compare (accessed: 10.06.2018).




    1. Manovyan A.K. Tekhnologiya pervichnoi pererabotki nefti i prirodnogo gaza [Technology of primary processing of oil and natural gas]. Moscow, Khimiya Publ., 2001. 568 p.

    2. [Patent of the Republic of Kazakhstan No. 26884. The device for separation of gas mixtures] Yu. I. Zhavrin, V. N. Kosov., Krasikov S. A., Fedorenko O. V. In: Promyshlennaya sobstven-nost' [Industrial property], 2013, no. 12b, pp. 129.




    1. [Patent of the Republic of Kazakhstan No. 26885. The method for separation of gas mix-tures] Yu. I. Zhavrin, V. N. Kosov., Krasikov S. A., Fedorenko O. V. In: Promyshlennaya sobstvennost' [Industrial property], 2013, no. 12b, pp. 129–130.




    1. Ryzhkov I. I. Termodiffuziya v smesyakh: uravneniya, simmetrii, resheniya i ikh ustoichi-


    vost' [Thermal diffusion in mixtures: equations, symmetry of solutions and their stability]. Novosibirsk, SO RAN Publ., 2013. 200 p.

    1. Sherwood T.K., Pigford R.L., Wilke Ch.R. Mass transfer. New York, McGraw‐Hill Book Company, 1975. 677 p.





    143




    ISSN 2072-8360 Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки 2018 / № 2


    ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
    Косов Владимир Николаевич – доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент Национальной академии наук РК, академик Национальной академии наук высшей школы РК, директор центра прикладных исследований и функциональных технологий Казахского национального педагогического университета имени Абая; e-mail: kosov_vlad_nik@list.ru
    Красиков Сергей Анатольевич – кандидат технических наук, ведущий научный сотруд-
    ник НИИ экспериментальной и теоретической физики Казахского Национального Уни-
    верситета имени аль-Фараби;
    e-mail: sa.krassikov@mail.ru
    Федоренко Ольга Владимировна – кандидат физико-математических наук, старший на-
    учный сотрудник НИИ экспериментальной и теоретической физики Казахского Нацио-
    нального Университета имени аль-Фараби;
    e-mail: fedor23.04@mail.ru
    INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
    Vladimir N. Kossov – doctor of physical and mathematical sciences, professor, correspondingmember of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan, academician of the National Academy of Sciences of the High School of RK, director of the center of applied researches and functional technologies of Abai Kazakh National Pedagogical University; e-mail: kosov_vlad_nik@list.ru
    Sergey A. Krassikov – candidate of technical sciences, head scientist researcher of the ResearchInstitute of Experimental and Theoretical Physics at al-Farabi Kazakh National University; e-mail: sa.krassikov@mail.ru
    Olga V. Fedorenko – candidate of physical and mathematical sciences, senior research scientist
    of the Research Institute of Experimental and Theoretical Physics at al-Farabi Kazakh National
    University;
    e-mail: fedor23.04@mail.ru


    ПРАВИЛЬНАЯ ССЫЛКА НА СТАТЬЮ
    Косов В.Н., Красиков С.А., Федоренко О.В. Численное моделирование возникновения конвективных течений при квазистационарном смешении в бинарных газовых смесях при различных углах наклона диффузионного канала // Вестник Московского государ-ственного областного университета. Серия: Естественные науки. 2018. № 2. С. 134–144. DOI: 10.18384/2310-7189-2018-2-134-144
    FOR CITATION
    Kossov V., Krasikov S., Fedorenko O. Numerical simulation of the occurrence of convective flows at quasi-stationary mixing in binary gaseous mixtures under different slope angles of the diffusion channel. In: Bulletin of Moscow Region State University. Series: Natural sciences, 2018, no. 2, pp. 134–144.
    DOI: 10.18384/2310-7189-2018-2-134-144




    144



    1   2   3

    написать администратору сайта