Главная » 2014»Сентябрь»1 » Скачать Закономерности нелинейных переходных процессов реодинамики и теплообмена при нестационарных напорных течениях наследственных бесплатно
9:27 AM
Скачать Закономерности нелинейных переходных процессов реодинамики и теплообмена при нестационарных напорных течениях наследственных бесплатно
Закономерности нелинейных переходных процессов реодинамики и теплообмена при нестационарных напорных течениях наследственных жидкостей
Диссертация
Автор: Шабунина, Зоя Александровна
Название: Закономерности нелинейных переходных процессов реодинамики и теплообмена при нестационарных напорных течениях наследственных жидкостей
Справка: Шабунина, Зоя Александровна. Закономерности нелинейных переходных процессов реодинамики и теплообмена при нестационарных напорных течениях наследственных жидкостей : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.14 Воронеж, 1984 138 c. : 61 85-1/1585
Объем: 138 стр.
Информация: Воронеж, 1984
Содержание:
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ5
ВВЕДЕНИЕ
1 РЕОЛОГИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ (РУС) НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИХ НАСЛБЩСТВЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙJ3
11 Описание движения наследственной жидкости и характеристики деформаций Р
12 Основные понятия теории простой жидкостиJ5
13 Релаксационные РУСJ6
14 Интегральные РУС
15 Условия эквивалентности релаксационных и интегральных РУС20
16 Спектральные характеристики реологических уравнений 21
17 Температурная зависимость реологических свойств и релаксационных характеристик,
18 РУС для растворов полимеров (выводы)?
2 ПРОЦЕССЫ КОНВЕКТИВНОГО ПЕРЕНОСА ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ НАПОРНОМ ТЕЧЕНИИ НЕЛИНЕЙНОЙ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ЖИДКОСТИ В КОЛЬЦЕВОМ КАНАЛЕ26
21 Состояние проблемы 26
21 Д Развитие и остановка течения
2Д2 Наложение пульсаций
22 Система уравнений переноса30
22Д Законы сохранения30
222 Перенос импульса и РУС
223 Режимы изменения градиента давления
23 Гидродинамический начальный участок
24 Безразмерные параметры37 в
24Л Геометрические критерииЗв
242 Параметры упруговязкости ElWeDe3
243 Температурные и энергетические критерии "5 и & Л
25 Гидродинамическая и тепловая нестационарности
26 Тепловые режимы течения
261 Стационарное температурное поле при граничных условиях I, 2, и 3 родов4Р
262 Диссипативное тепловыделение
27 Численный метод решения задачи4
28 Математическая формулировка задачи (выводы)5?
3 РАЗВИТИЕ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ НАСЛЕДСТВЕННОЙ срда5
31 Релаксационный спектр не зависит от интенсивности деформирования
32 Релаксационный спектр зависит от скорости деформации и температуры - физические нелинейности6
33 Влияние теплового режима^
34 Сопоставление с известными экспериментальными дан- ными
35 Переходные процессы при неизотермическом развитии те- чения (основные выводы)
4 ОСТАНОВКА НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ЖИДКОСТИ
41 Упругий возврат (реологические свойства постоянны)
42 Мгновенное снятие перепада давления в нелинейной жидкости (тепловой напор отсутствует)
43 Влияние теплового режима
44 Развитие и остановка течения при плавном изменении градиента давления (РУС наиболее общего типа)
45 Сопоставление с известными экспериментальными исследованиями
46 Упругий возврат в неизотермических условиях (выводы) 95 5 ПУЛЬСИРУКЩЕ ТЕЧЕНИЯ
51 Упруговязкая жидкость со спектром, не зависящим от температуры и скорости деформации
52 Нелинейноупруговязкая жидкость9
521 Развитие течения
522 Установившиеся колебания-ф1
53 Влияние теплового режима
54 Энергетические затраты
55 Анализ известных экспериментальных исследований
56 Особенности течений при пульсирующем градиенте давления в неизотермических условиях (основные выводы) -УЧ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДОП
Введение:
В В Е Д Е Н И Е АКТУМШОСТЬ ТШУМ.Неустановившиеся процессы переноса при напорных течениях жидкостей реализуются во многих промышленных установках: химических реакторах, теплообменниках, буровой технике, нефтепроводах и др. Они возникают при запуске и остановке оборудования, изменении во времени тепловых режимов работы, регулировании подачи расхода и напора. В современной технологии часто приходится иметь дело со средами, обладающими одновременно вязкостью и упругостью. Происходящие в жидкости релаксационные процессы порождают эффекты механической памяти, т.е. наследственности. К таким веществам относятся растворы и расплавы полимеров, эмульсии, коллоидные и дисперсные системы, биологические вещества, пищевые массы. При быстрых воздействиях они ведут себя как упругие среды, что, естественно, требует использования мер конечных деформаций (геометрическая нелинейность). Реологические свойства этих веществ (вязкость, времена релаксации, релаксационные модули) зависят от интенсивности деформирования (физическая нелинейность). Фактор наследственности сильнее проявляется в неустановившихся условиях, особенно в быстропротекающих динамических и тепловых процессах /I/. Упруговязкие текучие среды более чувствительны к изменению температуры, чем реологически простые. Даже при сравнительно слабых тепловых воздействиях вязкость, упругость, времена релаксации изменяются на порядки (тепловая нелинейность). Современная теория теплообмена реологически сложных сред хорошо разработана только для относительно простого и узкого класса жидкостей, лишенных упругости /2-II/. Для наследственных жидкостей характеристики процессов конвективного теплообмена во многом зависят от соотношений между временами релаксации напряжений и длительности перестройки температурного поля. Без знания таких особенностей невозможны корректный расчет, проектирование и правильная эксплуатация промышленных и технологических объектов. В диссертационной работе в достаточно общих теоретических предпосылках изучаются неизотермические переходные процессы реодинамики и теплообмена при неустановившемся течении нелинейных наследственных сред в соосноцшшндрических каналах с учетом температурной зависимости реологических свойств и сильного влияния других физических факторов. Исследования выполнены в соответствии с программой работ в области естественных наук: "Создать научные основы новых тепло- и массообменных технологических процессов и аппаратов для отраслей народного хозяйства" задание "Энергия-14" (головная организация Институт тепло- и массообмена им.А.В.Лыкова АН БССР), а также в рамках темы "Разработка численных и аналитических методов расчета дефоррщрования и течения реологически сложных материалов", выполняемой по Координационному плану по проблеме: "Математические науки" АН СССР на I98I85 гг. (номер госрегистрации 0182.6033454) в Воронежском госуниверситете им.Ленинского комсомола. т ш ь ИППЖДОВАНИЯ изучить нестационарные процессы конвективного переноса при напорных неизотермических течениях нелинейных наследственных жидкостей. Ставились задачи: 1. Выявить влияние фактора наследственности и различных нелинейностей (геометрической, физической, тепловой); 2. Оценить влияние теплового фактора на основе принципа температурно-временной инвариантности; 3. Определить роль параметров гидродинамической и тепловой нестационарностей. НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В диссертации впервые в комплексе изучены закономерности поведения нелинейноупруговязких жидкостей при нестационарных напорных течениях в длинных трубах. Предложена математическая постановка, более полно учитывающая присущие реальным полимерным средам нелинейности: аномалию вязкости, упругость, наличие спектра времен релаксации, зависимость реологических свойств жидкости от температуры на основе принципа температурно-временнои суперпозиции; неизотермичность процессов. Установлены новые закономерности таких нестационарных процессов в нелинейных наследственных средах: упругоподобное поведение жидкости усиливается с понижением наложенного градиента давления и ростом крутизны релаксационного спектра, времен релаксации и температуры внутреннего цилиндра; выявлено двойственное влияние частоты на относительное превышение расхода в пульсирующих течениях, сопровождающееся увеличением энергетических затрат. Впервые количественно обоснована возможность решения нестационарных задач гидродинамики наследственных жидкостей на стадии проявления релаксациошшх и упругих эффектов в квазистационарном температурном поле. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Полученные в диссертации результаты црименимы для моделирования и расчета характеристик напорного неизотермического течения жидкостей с механической памятью (буровых растворов, нефти и нефтепродуктов, растворов полимеров, композиций типа эмульсий и суспензий и др.) и определения оптимальных переходных и эксплуатационных режимов работы технологических установок и аппаратов, обеспечивающих перекачку и тепловую обработку жидкостей. Полученные в работе качественные соотношения и количественные зависимости можно использовать при выборе реологического уравнения состояния для описания механического и теплового поведения конкретной жидкости. Результаты теоретических исследований использованы во ВНИИ Буровой техники (г.Москва), в научно-исследовательском институте математики Воронежского госуниверситета, Институте тепло- и массообмена АН BdCP (г.Минск); применяются в учебном процессе в Воронежском университете. ДОСТОВЕРНОСТЬ. Используются математические модели, достаточно полно описывающие поведение умеренно вязких полимерных растворов. Длина входных гидродинамического и теплового участков для процессов, протекающих в буровом оборудовании, нефте- и полимеропроводах, составляет 1%, поэтогду допущение длинной трубы вполне оправдано. Для учета тепловой зависимости реологических свойств использован принцип температурно-временнои инвариантности, который теоретически обоснован и подтвераден экспериментально для полимерных систем. Теоретические результаты работы количественно и качественно согласуются с известными решениями для жидкостей с более простой реологией: нелинейновязкой, линейноупруговязкой и ньютоновской. Точность конечно-разностных методов определена сравнением с аналитическими формулами для линейных задач и стационарными характеристиками в нелинейном случае. Количественные оценки реальных времен процесса, проведенные в работе, подтвервдают возможность решения нестационарных задач гидродинамики упруговязких жидкостей в квазистационарном температурном поле на стадии проявления упругих эффектов. Установленная частотная зависимость относительного увеличения среднего расхода в пульсирующих течениях подтверждается качественным совпадением с имеющимися в литературе экспериментальными данными Валтерса, Таунсенда, Фан Тьена, Хабахпашевой по течению водных растворов полимеров в областях сильной и слабой упругости, Закономерности развития течения нелинейной наследственной жидкости, а также явление упругого возврата качественно соответствуют экспериментальным результатам Капура, Фредриксона, МейсII снера. АВТОР ЗАЩИЩАЕТ, результаты теоретического исследования нестационарных процессов реодинамики и теплообмена при напорных неизотермических течениях нелинейных наследственных жидкостей. В том числе: математическую формулировку задачи нестационарного неизотермического течения нелинейной наследственной жидкости в длинной трубе; закономерности пространственно-временного изменения полей скорости и напряжений в переходных и осциллирующих процессах; определение влияния теплового фактора (теплового напора, степени неизотермичности, энергии активации) на расход, напряжения, упругий возврат; оценки роли и вклада гидродинамической и тепловой нестационарностей при различных режимах течения и нахождение условий упрощения математической формулировки нестационарных задач теплообмена. АПРОБАШЯ. По материалам диссертации сделаны доклады на конференциях молодых ученых ИТМО АН БССР (ГЛинск, 1982, 1983), на конференции молодых исследователей Института теплофизики СО АН СССР (Новосибирск, 1982), на 7 Всесоюзной школе-семинаре по вопросам гидродинамики, технологического диагностирования и надежности трубопроводного транспорта (Уфа, 1982), на Ш Всесоюзной конференции по механике аномальньк систем (Баку, 1982), на ХП и ХШ Всесоюзных симпозиумах по реологии (Юрмала, 1982, Волгоград, 1984), на 1У и У Всесоюзных школах по реологии (Воронж, I98I, Кемерово, 1983), на 1У Всесоюзном симпозиуме "Реология бетонных смесей и ее технологические задачи" (Юрмала, 1982), на УП Всесоюзной конференции по тепломассообмену (Минск, 1984), на научных сессиях Воронежского госуниверситета (Воронеж, 1983, 1984). Ряд данных включены в программу Ш Национальной конференции по механике и технологии композитных материалов с участием зарубежных представителей (Варна, НРБ, 1982). Основные результаты диссертационных исследований отражены в 10 публикациях.I. РЕОЛОЗШЕСКИЕ УРАЕНЕШЯ СОСТОЯНИЯ (РУС) НЕЙЗОТЕРМШЕСКИХ НАСЛЩСТЕЕШЫХ ЖИДКОСТЕЙ Теория простой жидкости /12-15/, выражавдая основные свойства упруговязких текучих сред, относится к наиболее простым и детально разработанным в математическом плане. На сегодня существует большое число реологических уравнений состояния, удовлетворяющих принципам теории простой жидкости. Особенно многочисленны исследования, относящиеся к растворам и расплавам полимеров /1625/. Несмотря на обилие частных РУС, универсальная модель, пригодная для всех наследственных жидкостей, отсутствует. Это обусловлено сложностью и разнообразием релаксационных явлений, происходящих при деформ11ровании таких сред. Отдельные РУС применимы для расчетов течений высококонцвнтр1фованных растворов и расплавов, другие для систем с относительно небольшим содержанием полимера, Ниже излагаются основные положения теории простой жидкости, классификация РУС и возможность приведения РУС интегрального типа к системе дифференциальных уравнений /26-28/. В 1.4 описаны спектральные характеристики, в 1.5 применение метода температурно-временной суперпозиции /15-18/ в нестационарных неизотермических течениях. 1,1. Описание движения наследственной жидкости и характеристики деформаций Наблюдая за движением некоторой материальной точки, полагаем, что t момент наблюдения, а х прошедшее время:-"-"t Пусть X (-с) Х, г 1,2,3) положение точки в момент х х Тензор градиентов скоростей определяется как и может быть получен после дифференцирования г( х, "t по времени:_ F=L*F или L =F Г Разложение L на симметричную и антисимметричную части определяет тензор скорости растяжения Р в момент наблщцения и тензор W характеризующий скорость вращения: Тензоры напряжений, деформаций и скоростей деформаций описывают напряженно-деформированное состояние среды. Математическая связь между ними устанавливается реологическими уравнениями состояния. 1.2. Основные понятия теории простой жидкости В /12, 13/ указаны следующие физические принципы, лежащие в основе феноменологической теории простой жидкости: I). Детерминизм напряжений: напряжение определяется предысторией деформирования и не зависит от будущих напряжений; 2). Локальное действие: напряжение в данной материальной точке однозначно определяется историей деформирования в ее произвольно малой окрестности; 3). Отсутствие выделенного состояния: все состояния жидкости эквивалентны, и различия напряжений порождены особенностями предыстории деформирования. 4 Затухающая память: чем отдаленнее по времени деформация, тем слабее ее влияние на текр1ее напряжение, Математическая запись реологического уравнения в предположении о постоянстве плотности и однородности среды имеет вид тензор избыточных напряжений, определяегшй РУС, нелинейный тензорезначный изотропный наследственный функционал, характеризующий данную среду. Феноменологическая теория устанавливает только общие свойства этого функционала. Для несжимаемых сред напряженное состояние определяется с точностью до аддитивного изотропного давления. Разности нормаль-, ных напряжений обычно выражаются в терминах трех независимых материальных функций; Здесь У" СОЛ?г поперечный градиент скорости, Y) ньютоновская вязкость, cj; и сЬ функции первой i%f-\2 разностей нормальных напряжений. Существующие в литературе РУС можно
