В чем особенность гидродинамики и ТМО многофазных систем

В отличие от гомогенной среды, в которой поля скоростей, давлений, температур, концентраций целевого компонента изменяются монотонно, в многофазных (гетерогенных) системах благодаря процессам, протекающим на границах раздела фаз (химические реакции, механическое (силовое) взаимодействие фаз, теплообменные и массообменные процессы), они часто изменяются в пространстве скачкообразно. Это обстоятельство крайне затрудняет математическое описание теплофизических процессов в многофазных системах.

Как разделяется задача моделирования теплофизических процессов в многофазной системе.

Задача моделирования теплофизических процессов в гетерогенных системах распадается на две части: внутреннюю и внешнюю. В пределах внутренней задачи исследуются взаимодействия фаз на границах раздела. В пределах внешней – взаимодействие многофазной системы, как псевдогомогенного континуума, с окружающей его средой (например, внедрение струи газа с твердыми частицами или каплями мазута в ванну расплава).

При решении внутренней задачи рассматривают, как правило, взаимодействие одиночной частички (твердая частица, капля жидкости, газовый пузырь) с неограниченной гомогенной окружающей средой, в которую помещена частичка, или же взаимодействие двух неограниченных сплошных сред по единой границе раздела фаз. При этом математическое описание взаимодействий может быть выполнено с необходимой точностью.

При описании процесса взаимодействия системы дисперсных частиц с окружающей сплошной средой необходимо оговаривать правила поведения фаз в системе, т.е. принимать соответствующую физическую модель.

В самом общем случае при решении внутренней задачи необходимо найти положение гидродинамических, тепловых и диффузионных пограничных слоев, образующихся с обеих сторон межфазной границы, а также поля скоростей, температур и концентраций целевого компонента в пределах каждого пограничного слоя.

В пределах внешней задачи многофазная система рассматривается, как псевдооднородная, обладающая эффективными свойствами: скоростью, плотностью, вязкостью, температурой и т.д. В этом случае решение теплофизической задачи сводится к определению полей скоростей, температур, давлений и т.д. для всего объема многофазной системы, как функции координат и времени.

2-3 Как вы думаете, почему скорости фаз в двухфазном потоке отличаются друг от друга?

Потому что при рассмотрении гетерогенной модели движения двухфазного потока каждая из фаз принимается в качестве гомогенной среды и движение в этих фазах описывается исходя из механики сплошных сред. Фазы разделены межфазной границей и движутся с разными скоростями. Уравнения и граничные условия записываются для каждой из фаз отдельно.

2-4 Что такое приведенная скорость и что такое истинная скорость? для чего используется каждая из них.

Приведенные или расходные скорости фаз

Объемный расход дисперсной (сплошной) фазы через площадь поперечного сечения канала:

, м/с; , м/с. (2.3)

где S – площадь поперечного сечения канала, в котором осуществляется течение дисперсного потока, м².

Истинную скорость каждой из фаз можно определить, если известна часть площади поперечного сечения канала, занимаемая одной из фаз, например, сплошной

(2.4)

где – площадь поперечного сечения канала, занимаемая сплошной фазой, м².

Величина называется живым сечением потока – доля площади, занимаемой сплошной средой, отнесен. к общей площади.. Используя определим значения истинных скоростей фаз. Из формулы объемного расхода сплошной фазы имеем

(2.5)

где – площадь поперечного сечения канала, занятая сплошной фазой, м².

– истинная скорость сплошной фазы, м/с.

Из (2.5) легко получить выражение для истинной скорости сплошной фазы:

По аналогии можно определить значение истинной скорости дисперсной фазы

(2.7)

Разность истинных скоростей равна скорости проскальзывания фаз друг относительно друга

(2.8)

2-5 Какими величинами характеризуется концентрация дисперсной фазы в потоке?

наиболее важные характеристики дисперсных потоков при рассмотрении внутренней задачи.

Массовая концентрация дисперсной фазы

(2.1)

где и – массовые расходы фаз, кг/с

Объемная концентрация дисперсной фазы

æ = (2.2)

где и – объемные расходы фаз, м³/с.

2-6 Как определяется приведенная скорость фазы и каков ее физический смысл?

Для описания течения двухфазного потока используются две модели.

В том случае, когда используется модель гомогенного потока, параметры движения задают в виде расходных характеристик.

В модели гомогенного потока принимается, что обе фазы распределены равномерно и непрерывно одна в другой, при этом скорости их движения и температуры одинаковы. Другими словами, в гомогенном представлении движение двухфазного потока рассматривается как течение однородной сплошной среды. Полученные при этом параметры и характеристики потока называются расходными.

Рас­ходные параметры рассчитываются по уравнениям для гомогенного потока, когда скорости обеих фаз принимаются равными.