Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Математическое моделирование и экспериментальное исследование гидродинамической структуры внутри зернистого слоя

Диссертация: Математическое моделирование и экспериментальное исследование гидродинамической структуры внутри зернистого слоя
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Исследование основных закономерностей процессов фильтрации и переноса в зернистых средах относится к числу сложных проблем механики. Даже при необходимом количестве принятых допущений большинство полученных в конечной форме теоретических решений для простой геометрии имеют область применения в диапазоне скоростей фильтрации, как правило, соответствующем линейному закону сопротивления Дарси… Читать ещё >

Содержание

  • 1. Теоретические и экспериментальные исследования по гидродинамике и процессам переноса в зернистых средах
    • 1. 1. Некоторые модели процессов переноса в зернистых средах
    • 1. 2. Исследование гидродинамики в зернистых средах
    • 1. 3. Постановка задачи
  • 2. Модельные исследования фильтрационного течения жидкости
    • 2. 1. Модель Бринкмана с учетом неравномерной пористости
    • 2. 2. Исследование распределения давления по сечению упакованного слоя
    • 2. 3. Гидродинамическая модель течения
    • 2. 4. Исследование распределения давления по длине упакованного слоя
  • 3. Математическая модель процессов переноса в зернистых средах
    • 3. 1. Расчет модели переноса через два вихря
    • 3. 2. Сравнение теоретических и экспериментальных исследований
  • 4. Экспериментальная установка и методика измерения
    • 4. 1. Измерение давления вдоль зернистого слоя
    • 4. 2. Измерение давления в поперечном сечении зернистого слоя

Математическое моделирование и экспериментальное исследование гидродинамической структуры внутри зернистого слоя (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Детальное знание картины течения в упакованных зернистых слоях существенно во многих областях химического и нефтегазового проектирования. Упакованные слои имеют важное применение в каталитических и ядерных реакторах, в многочисленном оборудовании для тепломассопередачи (колонки абсорбции, теплообменники, высокоэффективные теплоизоляторы и т. п.). Если теоретически представляется, что зернистый слой оказывает выравнивающее действие на поток, то в действительности осуществление равномерного потокораспределения в упакованном слое является сложной проблемой. Неравномерности потока, генерируемые неподвижным зернистым слоем, связаны с разнообразными факторами: неравномерностью укладки зерен, пристенными эффектами, напряженным состоянием слоя, наличием постоянных контактов между частицами, приводящими к образованию непроточных зон и к спеканию зерен в случае высокотемпературных или других активных процессов. В результате влияния этих факторов снижается интенсивность процессов переноса и возникает их существенная неравномерность, которая может привести к локальному перегреву аппарата и выходу его из строя, кроме того, появляются трудности с перезагрузкой и обновлением зернистого слоя. Поэтому изучение гидродинамики зернистого слоя имеет большую практическую ценность.

Исследование основных закономерностей процессов фильтрации и переноса в зернистых средах относится к числу сложных проблем механики. Даже при необходимом количестве принятых допущений большинство полученных в конечной форме теоретических решений для простой геометрии имеют область применения в диапазоне скоростей фильтрации, как правило, соответствующем линейному закону сопротивления Дарси, и постоянным значениям ч эффективных коэффициентов переноса. Основная сложность теоретического рассмотрения движения жидкости в зернистых слоях заключается в совмещении картины дискретного описания с непрерывным описанием сплошных сред с помощью уравнений Навье-Стокса. Из экспериментальных работ по гидродинамике и переносу в зернистых средах можно заметить, что локальная структура потока в засыпках недостаточно ясна, а результаты некоторых работ противоречат друг другу. Измерению давления в упаковках посвящено обширное количество работ, что обусловлено, прежде всего, требованиями производства различной химической продукции, получаемой в результате прогонки жидкости или газа через плотные слои упаковок. Величину перепада давления и соответствующего гидравлического сопротивления необходимо закладывать в расчет проектируемых реакторов. Знание локального распределения давления и особенностей течения внутри зернистого слоя позволяет прогнозировать соответствующие процессы переноса тепла и массы между элементами упаковки и стенкой аппарата и подводит физическую базу под различные модели фильтрации. В большинстве известных экспериментальных работах определялся полный перепад давления на упаковках без выявления детальной структуры распределения давления по длине и сечению засыпки.

Практическая ценность работы связана с получением исходных теоретических зависимостей локального распределения скорости в пристенной зоне канала с засыпкой и коэффициентов переноса, а также экспериментальных данных по распределению давления в упакованном слое. Полученные результаты могут быть использо ваны в тех областях промышленности и науки, где, наряду с управлением потоками тепла и массы, требуется определение средних и локальных скоростей движения жидкости и газа и соответствующих коэффициентов переноса.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на всероссийской научно-технической конференции «Экспериментальные методы в физике структурно неоднородных сред» (г. Барнаул, 1996), V Международном семинаре по устойчивости течений гомогенных и гетерогенных жидкостей (Новосибирск, 1998), V семинаре СНГ «Акустика неоднородных сред» (Новосибирск, 1998), International Conference on Stability and Turbulence of Homogeneous and Heterogeneous Flows (Novosibirsk, 1999), V Всероссийском симпозиума «Современные теоретические модели адсорбции в пористых средах» (Москва, 1999), XVIII Российской школе по проблемам проектирования неоднородных конструкций (Миасс, 1999), 4th Workshop «Transport Phenomena in Two-Phase Flow» (Sozopol, Bulgaria, 1999).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в пятнадцати печатных изданиях.

Автор защищает:

1. Получение профиля продольной скорости в пристенной области хаотичной упаковки с помощью решения уравнения Бринкмана при условии переменной пористости в пристеночном ряду элементов засыпки. ч.

2. Модельный вывод аналога эмпирического выражения Эр-гана из уравнений Навье-Стокса.

3. Модель для расчета поперечного переноса в зернистых средах через систему двух взаимодействующих вихрей и оценочные соотношения для эффективного коэффициента поперечной дисперсии.

4. Результаты экспериментальных исследований полей давления фильтрационного течения жидкости по длине и сечению зернистого слоя хаотичной структуры, использующихся в химических и энергетических технологиях.

5. Методику измерения распределения давления по сечению хаотичной засыпки с использованием микродатчиков, позволяющих исключить искажения геометрии упакованного слоя и возмущения потока.

Заключение

.

Подводя итог приведенной работе, кратко сформулируем основные выводы из нее.

1. С помощью аналитического решения уравнения Бринкма-на с учетом нарушения изотропности пористости вблизи стенки канала с хаотичной засыпкой получен локальный профиль продольной скорости. Скорость в пристеночной области, рассчитанная по модели Бринкмана, не превышает скорости в центре канала. Исследования распределения давления в хаотичной упаковке показали, что давление по.

I сечению распределено неравномерно с незначительным понижением в центре канала. Соответствующее распределение продольной скорости не имеет характерного превышения у стенки, наблюдаемого в ряде работ, что подтверждает расчет по разработанной двухслойной модели течения.

2. Выполнен модельный вывод аналога эмпирического выражения Эргана из уравнений Навье-Стокса. Использовались предположения о существовании решения уравнений Навье-Стокса в виде стоячих и бегущих волн и среднего пространственного периода в хаотичной засыпке, пропорционального эквивалентному диаметру элементов упаковки. Обнаружена нелинейность распределения пристеночного перепада давления практически по всей длине упакованного слоя при низких числах Яе.

3. Предложена физическая модель для расчета поперечного переноса в зернистых средах через систему двух взаимодействующих вихрей. Приведенные оценки показали, что конвективные потоки в крупномасштабных вихрях могут существенно влиять на поперечный перенос в зернистых Л средах, приводя к увеличению эффективного коэффициента дисперсии. Из сравнения поперечного коэффициента дисперсии с прямыми измерениями среднего значения поперечной компоненты скорости и проведенными измерениями давления оценен вклад в коэффициент дисперсии пульсационной составляющей скорости.

4. Впервые получены экспериментальные данные по распределению давления по длине и сечению хаотично упакованного зернистого слоя. Разработана методика измерения локального распределения статического давления внутри зернистого слоя с использованием специального опытного участка с многоканальным жидкостным манометром и микродатчиков, не нарушающих структуру упакованного слоя.

Условные обозначения с, ^ - концентрация и температура соответственно- ?— пористость;

Ср — удедьная теплоемкость при постоянном давлениир— плотности жидкости;

Ль Лг ~ продольный и поперечный эффективные коэффициенты теп проводности;

А, А — продольный и поперечный коэффициент дисперсии. г = г/Кпоперечная координата, отнесенная к радиусу трубыК — радиус трубы;

В — молекулярный коэффициент диффузиии о = расходная продольная скорость;

II — максимальное значение продольной скорости;

Q — количество вещества, переносимое через сечение в единицу времени;

V) — свободный объемУ2 — занятый объем;

Аф — эффективный коэффициент дисперсии в зернистом слое.

Дс ^ конвективная составляющая для дисперсии. р — релаксационная составляющая дисперсии.

А[) — флуктуационная составляющая дисперсии.

7], А, В, кконстанты пропорциональности;

— число ШмидтаАр/Ь — полный перепад давления на длине Ь щ — расходная скорость жидкости в пустом опытном участкер — динамическая вязкость жидкости с1 — диаметр шарика.

Г—извилистостьи — продольная скорость- - поперечная координатах — поперечная координатапараметр;

2 — продольная координатапараметрк — расстояние до стенки, толщина пластины;

4 — эквивалентный диаметр зернистого слояа0 — удельная поверхность элементов упаковкик — параметр, волновое число;

— параметр;

С, Сь С2, — константы- - полуширина канала с засыпкой, ширина щелиу- кинематическая вязкостьА — амплитуда пульсаций скоростисо — циклическая частота пульсаций- ^ - времякоэффициент сопротивления зернистого слояЫе = щсИучисло Рейнольдса;

Кеэ = 4м/ га — эквивалентное число Рейнольдсаа = а0(1 К — относительная мощность звукаи1 — амплитуда пульсаций скоростиРа — акустическое давлениес — константа, скорость звука;

0 — предельное значение акустической интенсивности. а, Ьдиаметры вихрейщ, и2 — скорости потока с двух сторон щелищ U2 — скорости вихрей;

F (/).F$(b) — силы трения на единицу длины /, Ъ- 5*1, s2 — параметрыr, г2 — параметрыgi (l).g8(b) — диффузионный поток на единицу длины /, Ъ.

Сь С2 — концентрация в потоке с двух сторон щели;

СУ, С2 — концентрация в вихрях;

Д/) — средний коэффициент массопереноса;

Рг — критерий Прандтля;

Rei = щИ v, Re2 = u2Uv. ji, 72,./з — потоки массы через соответствующие слои смешения- ?>b.

Условные обозначения к рисункам. рис. 2.1, и — продольная скорость, кпараметр, И — расстояние до стенки, (1 — диаметр шарика. рис. 2.2, у — поперечная координата, Я — радиус опытного участка. рис. 2.4, Ь — длина опытного участка. рис. 2.5, — коэффициент гидравлического сопротивления зернистого слоя. рис. 2.6, Ат — амплитуда изменения перепада давления на расстоянии 2 см, отнесенная к среднему перепаду давления на этом расстоянии.

Показать весь текст

Список литературы

  1. М.Э., Тодес О. М. Гидравлические и тепловые основы pa-sботы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. -Л.: Химия," 1968.-512 с.
  2. А.Э. Физика течения жидкости через пористые среды. М.: Гостоптехиздат, 1960, с. 38−42.
  3. В. С. Гидродинамическая дисперсия и динамика сорбции в пористой среде с застойными зонами. ДАН СССР, 1978, т. 23, № 25, с. 1161.
  4. М.Э., Тодес О. М., Наринский Д. А. Аппараты со стационарным зернистым слоем. Л.: Химия, 1979. — 176 с.
  5. ВН. Капиллярная модель диффузии в пористых средах. Известия АН СССР, 1959, № 4, с. 146
  6. И.И., Письмен Л. М. Инженерная химия гетерогенного катализа. Л.: Химия, 1972.
  7. М.А., Кириллов В. А., Матрос Ю. М. Перенос вещества в свободном объеме неподвижного зернистого слоя. ИФЖ, 1973, т. 25, № 1, с. 36
  8. В.Г., Маркин B.C., Чизмаджиев Ю. А. О гидродинамическом перемешивании в модели пористой среды с застойными зонами. ДАН СССР, 1966, т. 166, № 6, с. 1401
  9. ВТ., Письмен Л. М., Кучанов С. Н. О гидродинамическом перемешивании в зернистом слое. Физическая модель застойных зон. ДАН СССР, 1966, т. 168, № 2, с. 392.
  10. JI.M., Кучанов С. Н., Левин В. Г. Поперечная диффузия в зернистом слое. ДАН СССР, 1967, т. 174, № 3, с. 650.
  11. И. Кучанов С. Н., Левич В. Г., Письмен Л. М. Поперечная диффузия и теплопроводность в зернистом слое. ПМТФ, 1967, № 3, с. 45.
  12. В.И. Исследование гидродинамики и процессов переночса в пористых средах. Автореф. канд. дисс., Институт теплофизики СО АН СССР, Новосибирск, 1982. — 21 с.
  13. В.В. Основные пути повышения эффективности технологических процессов. В сборнике «Аэродинамика в технологических процессах». М.: Наука, 1981, с. 7−13.
  14. В.В., Павлихина М. Я. Экспериментальное исследование поля скоростей за стационарным зернистым слоем катализатора. В сборнике «Аэродинамика в технологических процессах». М.: Наука, 1981, с. 63−74.
  15. В.М. Измерение поля потока за неподвижным зернистым слоем. В сборнике «Аэродинамика в технологических процессах». М.: Наука, 1981, с. 13−29.
  16. В.А., Кузьмин В. А., Пьяное В. И., Канаев В. М. О про-филескорости в неподвижном зернистом слое. Доклады АН СССР, 1979, том 245, № 1, с. 159−162.
  17. Lerou J.J. and Froment G.F. Velocity, temperature and conversion profiles in fixed bed catalytic reactors. Chem. Engng. Sci., 1977, v. 32, № 8, p. 853−861.
  18. Van der Merve D.F. and Gauvin W.H. Velocity and turbulence measurements of air flow througth a packed bed. AIChE journal, 1971, v. 17, № 3, p. 519−528.
  19. Mickley H.S., Smith K.A. and Kochak E.I. Fluid flow in packed beds. Chem. Engng. Sci., 1965, v. 20, № 3, p. 237−246.102
  20. А.Р., Накоряков В. Е., Романов H.H. Локальная структура фильтрационного потока в кубической упаковке шаров при больших числах Рейнольдса. Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук. — 1989. -Вып. 1, с. 51−56.
  21. Yevseyev A.R., Nakorykov V.E. and Romanov NN. Experimentalчinvestigation of a turbulent filtrational flow. Int. J. Multiphase Flow, 1991, v. 17, № 1, p. 103−118
  22. Akehato F., Sato K. Flow distribution in packed beds. Kagaku Kogaku (Chem. Eng., Japan.), 1958, v. 22, № 7, p. 430−436.
  23. B.E. Исследование турбулентных течений двухфазных сред. Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1973. — 152 с.
  24. Kubota H., Ikeda M., Nishimura V. Note on flow-profile in packed beds. Kagaku Kogaku (Chem. Eng., Japan.), 1966, v. 4, № 1, p. 5861.
  25. М.Э., Умник H.H. Коэффициенты теплопроводности в зернистом слое. ЖТФ, 1951, том 21, № 11, с. 1351−1352.
  26. Н. П. Поле скорости газа в шахтных известковых печах. ЖПХ, 1956, том 29, № 1, с. 32−40.
  27. Н.В., Дилъман В. В., Сергеев С. П. Влияние профиля скорости потока в слое катализатора на производительность реактора синтеза аммиака. В сборнике «Аэродинамика в технологически X процессах». М.: Наука, 1981, с. 74−79.
  28. А баев Т.Н., Попов Е. К. и др. Результаты исследования аэродинамики зернистого слоя на стендах и промышленных реакторах синтеза мономеров для синтетического каучука. В сборнике
  29. Аэродинамика в технологических процессах". М.: Наука, 1981, с. 79−91.
  30. Cairns E.I. and Prausnitz I.M. Velocity profiles in packed and fluidized beds. Ind. and Engng. Chem., 1959, v. 51, № 12, p. 14 411 444.
  31. К.Г., Анисымова E.A., Волков В. И. Иммерсионная жидкость для оптических исследований. Патент РФ № 2 134 708 от 20.08.1999 г.
  32. К.Г., Анисымова Е. А., Волков В. И. Эксперименталь-' ное исследование показателя и характеристики переноса тяжелых жидкостей // Известия АГУ. 1997. — № 1. — С. 58−59.
  33. К.Г., Анисимова Е. А. Физико-химические свойства водных растворов йодидов металлов // Известия АГУ. 1998. -№ 1.- С. 97−98.
  34. В. И. Исследование гидродинамики и процессов переноса в пористых средах. Канд. дисс., Институт теплофизики СО АН СССР, Новосибирск, 1980. — 156 с.
  35. Н.М., Аэров М. Э., Умник H.H. ЖФХ, 1949, т. 23, с. 342
  36. Я.Ф. Известия вузов. Энергетика, 1975, № 6, с. 91-
  37. H.H., Бугай Н. Г. Гидравлическая структура потока в отдельной поре при нелинейной фильтрации. В сборнике «Фильтрация воды в пористых средах». Киев, 1978, с. 15−24.
  38. Дж. Введение в динамику жидкости. -М.:Мир, 1973. -329 с.
  39. Ergun S., Orning A.A. Chem. Eng. Progr., 1952, v. 48, p. 227
  40. В.А., Смирнова Н. Н. Исследование процессов тепломассообмена при фильтрации в пористых средах. Препринт 26−78, -Новосибирск, 1978
  41. Brinkman Н.С. A calculation of the viscous force exerted by a flowing fluid on a dense swarm of particles. -Appl. Sci. Res., 1947, Vol. Al, pp. 27−34.
  42. M.A. Процессы переноса в зернистом слое. Новосибирск, 1984. — 164 с.
  43. Э. Справочник по' обыкновенным дифференциальным . уравнениям. М., 1976, с. 445
  44. В. И. Изотермическое течение жидкости в упаковке из сфер. ИФЖ, 1985, том XLIX, N5, с. 827−833.
  45. К.Г., Борозденко Д. А., Волков В. И. Изучение распределения давления в зернистых средах // Проблемы гидродинамики и тепломассообмена. Барнаул: Изд-во АГУ, 1999. С. 5459.
  46. К.Г., Волков В. И. Экспериментальное исследование распределения давления в упакованном слое // Тез. докл. XVIII Российской школы по проблемам проектирования неоднородных конструкций. Миасс, 1999. — С. 82.
  47. K.G. Anisimov, V.I. Volkov. The experimental research of pressure distribution inwardly packed bed // Proc. of 4th Workshop «Transport Phenomena in Two-Phase Flow». Sozopol, Bulgaria, 1999. — P. 161−167.
  48. В. И. Режим турбулентной фильтрации // Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1999, ч. II. С. 72−78.
  49. В.И. Прикладные аспекты уравнений Навье-Стокса // Проблемы гидродинамики и тепломассообмена. Барнаул: Изд-во АГУ, 1999. С. 32−37.
  50. К.Г., Волков В. И. Математические модели фильтрации и переноса // Тез. докл. V Всероссийского симпозиума «Современные теоретические модели адсорбции в пористых средах». Москва, 1999. — С. 13.
  51. Anisimov К. G., Volkov VI. The model of current in packed bed // Proc. of 4th Workshop «Transport Phenomena in Two-Phase Flow». -.Sozopol, Bulgaria, 1999. -P. 168−171.
  52. К.Г., Волков В. И. Модели течения в упакованных слоях // Известия АГУ. 1999. — № 1. — С. 63−64.
  53. В.И., Мухин В. А., Накоряков В. Е. Исследование структуры течения в пористой среде. ЖПХ, 1981, том 34, № 4, с. 838 842.
  54. К.Г., Волков В. И. Экспериментальное исследование перепада давления для системы связанных вихрей в зернистых средах // Известия АГУ. 1998. — № 1. — С. 65−66.
  55. Anisimov K. G, Volkov V.I. The experimental research of pressure distribution in packed bed at transitional Reynolds numbers // Transactions International Symposium «Actual Problems of Physical Hydroaerodynamics», Novosibirsk, 1999. P. 11−10.
  56. В.М., Виноградов A.C., Лузин И. П., Тигарев И. П. Гидравлическое сопротивление засыпок из сферических частиц. Теплоэнергетика, 1980, № 1, с. 61−63.
  57. Ю.В., Коротченко Г. И., Ноздрин Г. Н., Фомичев М.С.
  58. Экспериментальное исследование колебаний давления жидкостичв циркуляционном контуре при работе центробежного насоса. Теплоэнергетика, 1987, № 1, с. 69−71
  59. Римский-Корсаков A.B., Баженов Д. В., Баженова Л. А. Физические основы образования звука в воздуходувных машинах.-М.: Наука, 1988.-173 с.
  60. В.П. Качественные методы в физической кинетике и гидрогазодинамике.-М.: Высшая школа, 1989, с. 202.
  61. Ч., Хонами С. Нестационарные структуры отрывного трехмерного турбулентного пограничного слоя. Сб. работ под ред. Фернхольца X. и Краузе Е. Трехмерные турбулентные пограничные слои.-М.: Мир, 1985, с. 117.
  62. .А., Яглом A.M. Спектры анизотропных турбулентных пульсаций скорости и температуры в пристеночных турбулентных потоках. // Проблемы турбулентных течений.-М.: Наука, 1987, с. 70.
  63. Волков В. К, Мухин В. А., Накоряков В. Е. и др. Исследование гидродинамики пристенного слоя на модели кубической упаковки. ПМТФ, 1980, N6, с. 58−64.
  64. В.И., Мухин В. А., Титков В. И. Неустойчивость течения жидкости в засыпках. Сб. трудов V Международного семинара: Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей, часть I, 1998, с. 43−49.
  65. Е.В., Слинъко М. Г., Накоряков В. Е. Математическое моделирование процессов переноса в отрывных течениях с ламинарной областью смешения. Теоретические основы химической технологии. 1970, том 4, № 5, с. 687−693.
  66. К.Г., Волков В. И., Математические модели фильтрачции и переноса // Проблемы гидродинамики и тепломассообмена. Барнаул: Изд-во АГУ, 1999. С. 37−50.
  67. Е.В., Слинъко М. Г., Накоряков В. Е. Математическое моделирование процессов переноса в отрывных течениях с ламинарной областью смешения. Теоретические основы химической технологии. 1970, том 4, № 6, с. 864−864.
  68. К.Г., Волков В. И. Моделирование фильтрации несжимаемой жидкости // Повышение экологической безопасности автотракторной техники. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1998. -С. 135−137.
  69. А.Э. Физика течения жидкости через пористые среды. М.:Гостоптехиздат, 1960, с. 38−42.
  70. Р. Течение жидкости через пористые материалы. -М.:Мир, 1964, с. 277.
  71. Prausnitz I.M. and Wilhelm R.H. Turbulent concentration fluctuations in a packed bed. -Ind. and Engng. Chem., 1957, v. 49, № 6, p. 978−984.
  72. КГ., Волков В. И., Мухин В. А. Измерение пристеночного перепада давления в упакованных слоях // Проблемы гидродинамики и тепломассообмена. Барнаул: Изд-во АГУ, 1999.-С. 50−53.
Заполнить форму текущей работой

На отлично!