WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Чаусова Ольга Владимировна

ТЕОРИЯ ЗАХВАТА УМЕРЕННО КРУПНЫХ ЛЕТУЧИХ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ НА ОБЛАЧНЫХ КАПЛЯХ

Специальность 03.00.16 – экология (физико-математические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва 2008г

Работа выполнена на кафедре теоретической физики Московского государственного областного университета

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

доцент Баринова Маргарита Федоровна

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

доцент Кузьмин Михаил Кузьмич

кандидат физико-математических наук

Зенкина Ольга Николаевна

Ведущая организация Московский государственный

технический университет

имени Н.Э.Баумана

Защита состоится «4» декабря 2008 г. в 13 часов

на заседании диссертационного совета Д.212.155.12 в Московском государственном областном университете по адресу: 105005, г.Москва, ул. Радио, д. 10а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного областного университета.

Автореферат разослан «…..»………..2008 г

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат биологических наук,

доцент А.В.Сердюкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Широко развитая сеть атомных электростанций, химической, нефтехимической, металлургической, перерабатывающей промышленностей представляют потенциальную угрозу населению, поэтому ученые уделяют особое внимание экологической безопасности промышленных объектов. Исследование динамики частиц поможет в изучении состояния атмосферы, а также ликвидации возможных аварий и предотвращения распространения вредных выбросов. Было замечено, что в ряде случаев атмосфера сохраняет способность к самоочищению за счет облачных капель, образующихся при конденсации водяного пара на взвешенных в облаках аэрозольных частицах. Оказывается, что в окрестности достаточно крупных капель при их испарении или конденсационном росте может происходить процесс захвата взвешенных аэрозольных частиц. Процессы вымывания аэрозольных частиц могут происходить не только в облачной атмосфере, но и при пропускании загрязненного газа через различные очистные сооружения. Для описания процессов, которые происходят в объемах, содержащих капли и аэрозоль необходима строгая теория, описывающая физические процессы движения аэрозольных частиц. Ранее учеными проводились исследования процессов захвата аэрозольных частиц, однако, до настоящего времени не бралось в рассмотрение вымывание умеренно крупными летучими каплями. Для построения этой теории необходимо изучить динамику умеренно крупных летучих капель, а затем применить полученные результаты для нахождения времени полной очистки заданного объема от аэрозоля.

Цель работы

1) Построение теории термофоретического движения умеренно крупной капли, на поверхности которой происходит фазовый переход первого рода. Оценка влияния коэффициента испарения на термофорез капли.

2) Построение теории диффузиофоретического движения умеренно крупной летучей капли, с прямым учетом коэффициента испарения.

3) Расчет времени полной очистки заданного объема от умеренно крупного аэрозоля.

4) Решение задачи о термофорезе умеренно крупной твердой сфероидальной частицы.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые приводятся достаточно корректные оценки влияния коэффициента испарения на динамику умеренно крупных летучих капель. Исследована зависимость времени полной очистки заданного объема от коэффициента испарения и радиусов сферических частиц. Разработана методика исследования движения умеренно крупных сфероидальных летучих частиц в неоднородных по температуре полях при прямом учете коэффициента испарения. В приведенном решении задачи о термофорезе сфероида учтено незначительное отклонение формы поверхности от правильной сфероидальной, что ранее в литературе не описывалось.

Практическая и научная ценность работы. Полученные результаты являются дальнейшим развитием физики аэродисперсных систем.

Методики решения уравнений Стокса и Лапласа применимы в электродинамике при расчете электрических полей.

Предложенная методика решения задачи о термофорезе летучего сфероида открывает возможности для решения широкого класса задач, посвященных движению несферических частиц.

Известно, что наилучшим способом локализации антропогенных загрязнений является вымывание взвешенных частиц туманом, облаками и осадками. В работе приводятся оценки времени очистки заданного объема в зависимости от радиусов капель, а также от коэффициента испарения. Результаты главы IV могут найти широкое применение в экологии, метеорологии.

Полученные в диссертации формулы представляют интерес для специалистов, занимающихся проблемами физики аэрозолей, а также для инженеров, проектирующих приборы и установки для очистки газов от примесей.

На защиту выносятся:

1) Теория термофоретического движения умеренно крупной летучей аэрозольной частицы с учетом коэффициента испарения.

2) Теория диффузиофоретического движения умеренно крупной летучей аэрозольной частицы с учетом коэффициента испарения.

3) Теория захвата умеренно крупных аэрозольных частиц атмосферными каплями.

4) Теория термофоретического движения умеренно крупной летучей частицы сфероидальной формы.

Апробация работы

Основные результаты работы неоднократно докладывались на:

  • конференциях студентов, аспирантов и преподавателей Московского Государственного Областного университета;
  • заседаниях и семинарах кафедры теоретической физики Московского Государственного Областного Университета.

Опубликовано учебное пособие, предназначенное для студентов старших курсов физико-математических специальностей ВУЗов и включающее в себя исследования по изучению динамики умеренно крупных аэрозольных частиц в неоднородных по температуре и концентрациям компонентов средах и применении полученных результатов в экологии (при расчете времени полной очистки заданного объема от наиболее вредных для здоровья людей дымов промышленных предприятий, автомобильных выхлопов, и других загрязнений, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду):

        • Яламов Ю.И., Ставцева О.В., Баринова М.Ф., Костицына Л.И. Теория термо- диффузиофоретического переноса умеренно крупных летучих аэрозольных частиц с учетом влияния коэффициента испарения. Учебное пособие. – М.: МГОУ, 2007 г., 65 с.

Данное пособие может быть использовано в аудиторной и самостоятельной работе студентов и аспирантов при изучении специальных курсов по физике.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Материал изложен на 95 страницах машинописного текста, включая 14 иллюстраций, 1 таблицу, 77 библиографических наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследования, охарактеризованы научная новизна, а также практическая и научная ценность работы.

Первая глава диссертации посвящена обзору литературы.

Впервые задача о термофорезе крупной сферической аэрозольной частицы была решена Эпштейном [1]. Автор получил формулу для скорости в виде

где (e) – вязкость газовой среды, (e), (i) – коэффициенты теплопроводности газовой среды и частицы соответственно, - невозмущенное значение температуры (температура в центре капли), - постоянный градиент температуры на большом расстоянии от частицы.

Следующим этапом развития физики аэрозолей явились работы Брока, в которых автор учел влияние коэффициента изотермического скольжения и скачков температуры на поверхности сферической частицы [2]:

Здесь СТ – коэффициент скачка температуры, (e) – средняя длина пробега газовых молекул, R – радиус аэрозольной частицы, - коэффициент изотермического скольжения.

Изучение диффузиофоретического движения частиц началось с исследования Брока [3]. В данной работе автор учел эффект диффузионного скольжения, и получил формулу для скорости диффузиофореза

.

Здесь - коэффициент диффузионного скольжения бинарной газовой смеси вдоль плоской поверхности раздела «газовая смесь – аэрозольная частица», - коэффициент взаимной диффузии компонентов смеси, - постоянный градиент концентрации первого компонента на большом удалении от частицы.

Первым теоретическое описание процесса испарения неподвижной крупной капли, протекающего в диффуизонном режиме в 1877 г. провел Максвелл Дж.К. [4] Автор получил формулу для потока испаряемых частиц от капли

Здесь D – коэффициент диффузии пара в воздухе, 1R – концентрация насыщенного пара вблизи капли, 1 - концентрация пара на достаточно большом расстоянии от капли.

В 1934 году Фуксом [5] были получены формулы, позволяющие приближенно учитывать влияние слоя Кнудсена на процесс испарения капель.

Исследование влияния слоя Кнудсена на динамику частицы можно проводить путем включения в число граничных условий задачи соотношений, позволяющих учитывать скачки концентрации и температуры вблизи поверхности капли.

Основными работами по исследованию динамики сфероидальных частиц являются работы Хаппеля [6] и Ламба [7]. В своей работе Хаппель исследовал обтекание крупного сплюснутого нелетучего сфероида потоком жидкости, параллельной его оси. Ламб решал задачу о движении эллипсоида при помощи потенциала притяжения твердых тел.

В работе [8] проведен анализ общих свойств движения жестких частиц произвольной формы в неоднородной по температуре и концентрации бинарной газовой смеси. В гидродинамическом и свободно-молекулярном режимах получен явный вид тензоров, описывающих движение нелетучих эллипсоидальных аэрозольных частиц в неоднородной по температуре и концентрации газовой смеси. Найдены интерполяционные формулы для скорости термо- и диффузиофореза нелетучих эллипсоидальных частиц. Показано, что форма и ориентация аэрозольных частиц существенно влияет на величину и направление скорости термодиффузиофореза.

Работы [9],[10] посвящены движению твердой крупной частицы сфероидальной формы внутри которой действуют источники (стоки) тепла в несжимаемой вязкой жидкости.

Вторая глава посвящается описанию термофоретического движения умеренно крупной летучей капли сферической формы с учетом влияния коэффициента испарения.

Распределения скоростей, давления и концентраций вне и внутри капли описываются осесимметричными дифференциальными уравнениями Стокса, непрерывности и Лапласа:

(1)

где,, - численные концентрации газовых молекул первого и второго сорта соответственно. Индекс «e» относится к величинам, характеризующим среду вне капли, а индекс «i» - внутри капли.

На бесконечности справедливы условия: осесимметричный поток внешней среды однороден в пространстве и имеет скорость ; скалярное распределение температуры есть функция координаты ; относительная концентрация летучего компонента смеси газов невозмущена.

: (2)

На поверхности капли выполняются условия:

  • скольжения (разность касательных составляющих скоростей вне и внутри капли равна сумме изотермического, теплового и диффузионного скольжений);
  • непрерывности радиальной и касательной составляющей тензора напряжений;
  • непрерывности потока вещества первого компонента при фазовом переходе;
  • непроницаемости поверхности частицы для молекул второго сорта бинарной газовой смеси;
  • непрерывности потока тепла;
  • скачка температуры (разность температур на границе слоя Кнудсена и внутри частицы пропорциональна локальному радиальному градиенту температуры);
  • условие для радиальной составляющей скорости (показывает отсутствие конвективного потока вещества с поверхности капли):

r=R:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

Здесь - коэффициенты динамической вязкости, теплопроводности вне и внутри капли, плотности газа (индекс «0» показывает, что коэффициенты перноса берутся как постоянные величины при температуре на бесконечности ); D12 – коэффициент взаимодиффузии смеси; – коэффициент поверхностного натяжения капли, - учитывает температурную зависимость коэффициента поверхностного натяжения; С*, KTSl, KDSl – коэффициенты изотермического, теплового и диффузионного скольжений; T, D – величины, учитывающую кривизну поверхности, KTD – коэффициент объемной теромдиффузии; – коэффициент скачка температуры; m1, m2 – массы газовых молекул первого и второго сорта,

Относительную концентрацию вблизи поверхности капли можно разложить в ряд Тейлора с удержанием линейный членов по T(i):

где - насыщающая концентрация паров летучего вещества у поверхности капли.

Далее, известные решения уравнений Стокса, неразрывности и Лапласа подставляются в граничные условия. Получается система линейных алгебраических уравнений, из решения которой находится выражение для скорости термофоретического переноса капли:

(11)

Здесь введены обозначения:

Анализ результатов

Формула (11) представляет собой выражение для скорости термофоретического переноса умеренно крупной аэрозольной капли. Полученное выражение показывает, что скорость может меняться не только по величине, но и по направлению, в зависимости от конкретных значений физических величин.

Первый и второй члены (пропорциональные коэффициентам KTSl и KDSl) формулы (11) связаны соответственно с тепловым и диффузионным скольжением газовой среды. Третье слагаемое обусловлено переменным межфазным поверхностным натяжением на поверхности капли. Четвертый член описывает реактивную часть импульса, который действует на частицу и связан с фазовым переходом.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»