WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

                                                                       

Колунин Владимир Сергеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ С ПОДВИЖНОЙ ЛЕДОВОЙ КОМПОНЕНТОЙ

25.00.08 – инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора геолого-минералогических наук

Тюмень - 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Институт криосферы Земли Сибирского отделения РАН

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

Комаров Илья Аркадьевич

доктор геолого-минералогических наук

Курчиков Аркадий Романович

доктор технических наук, профессор

Шабаров Александр Борисович

Ведущая организация:  ОАО Фундаментпроект

Защита состоится 28 ноября 2011 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 003.042.02 при Учреждении Российской академии наук «Институт криосферы Земли СО РАН»

по адресу: 625026 г. Тюмень, ул. Малыгина, 86

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук «Институт криосферы Земли СО РАН»

по адресу: 625026 г. Тюмень, ул. Таймырская, 74

Оригиналы отзывов на автореферат (в 2-х экз.), заверенные печатью учреждения, просьба направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 625000 г. Тюмень, а/я 1230, lpodenko@ikz.ru, sciensec@ikz.ru.

Автореферат разослан «___» октября 2011 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность. В основе проектирования объектов промышленного и гражданского строительства лежит знание физико-механических свойств грунтов и их реакции на изменение условий окружающей среды. Хозяйственная деятельность человека в регионах с холодными климатом нарушает естественный тепловой режим грунтовых толщ. В результате основания сооружений могут быть подвержены недопустимым деформациям Особенно сильные изменения происходят в водонасыщенных мелкодисперсных грунтах при замерзании и оттаивании. Неотъемлемая составляющая прогноза устойчивости строительных объектов в условиях холодного климата – моделирование тепломассообменных процессов в промерзающих и протаивающих грунтах.

В грунтовых системах замерзание воды или плавление льда вызывает относительное перемещение компонентов и может приводить к необратимым структурным и текстурным изменениям. В естественных условиях, как результат движения влаги к границе промерзания, влажность мелкодисперсного мерзлого грунта оказывается выше влажности талого. Экспериментальными исследованиями установлена совокупность различных факторов, влияющих на скорость миграции влаги. Это, в первую очередь, свойства грунта - дисперсность, минералогический состав, засоленность, состав обменных катионов, а также характер взаимодействия системы с окружающей средой - скорость промерзания и гидравлическая связь с водоемом [Тютюнов, Нерсесова, 1963].

Поскольку в мелкодисперсных грунтах фазовое превращение воды в лед занимает некоторый температурный диапазон, то текстурные изменения в системе происходят не только вблизи границы промерзания, но и внутри массива мерзлого грунта  [Ершов, 1979; Чеверев, 2004]. Массообменные процессы в мерзлых грунтах могут быть инициированы, помимо градиента температуры, иными термодинамическими силами - градиентами давления жидкости, концентрации раствора и электрического потенциала [Основы геокриологии, 1995]. Существование жидкой фазы в дисперсных средах, содержащих лед, обеспечивает относительно высокую скорость массообмена внутри среды в некотором диапазоне температуры.

В основе теоретических моделей тепломассообменных процессов, происходящих в промерзающем или мерзлом грунтах лежат законы тепломассопереноса, которые в общем виде представляет собой функциональную зависимость потоков тепла и массы от градиентов термодинамических потенциалов - температуры, давления жидкости, концентрации раствора и электрического потенциала. Если система находится вблизи состояния равновесия, эта зависимость представляет собой линейную форму [Хаазе, 1967]. Коэффициенты переноса, входящие в эти соотношения определяются экспериментально. К настоящему времени наиболее изученными оказываются теплопроводящие [Теплофизические свойства..., 1984; Комаров, 2003] и фильтрационные [Williams, Burt, 1974; Horiguchi, Miller, 1983] свойства мерзлых пород. В меньшей степени представлены экспериментальные работы по термоосмотическим [Perfect, Williams, 1980], диффузионным [Murrmann, 1973; Чувилин, Смирнова, 1996] и электроосмотическим свойствам [Ананян, 1952; Иванов, 1957; Hoekstra, Chamberlain, 1964; Van Gassen, Sego, 1991]. Измерение коэффициентов переноса мерзлых дисперсных сред занимает достаточно длительное время, в течение которого, как правило, меняется текстура мерзлой породы. Текстурные преобразования сопровождаются движением жидкой фазы относительно твердых составляющих. Роль такого движения особенно велика в диффузионных процессах – скорость диффузии химических элементов в мерзлых породах оказывается одного порядка со скоростью диффузии в талых.

Иногда рассматриваемая система обнаруживает, на первый взгляд, неожиданные свойства. Известно, что в условиях закрытой системы в однородном полностью водонасыщенном мерзлом грунте под действием градиента температуры, близкого по величине к природному, происходит миграция воды в сторону более низкой температуры [Ершов, 1979]. В условиях же открытой системы наблюдается обратная картина - поток массы, проходящий через образец мерзлого грунта, совпадает по направлению с градиентом температуры [Perfect, Williams, 1980]. Если в первом случае движение воды сопровождается деформируемостью скелета пористой среды, иначе оказывается невозможным изменение влажности грунта, то во втором случае деформируемость скелета играет второстепенную роль, а поток массы в образце есть следствие относительного движения льда и частиц грунта.

При моделировании тепломассообменных процессов в мерзлых грунтах необходимо учитывать оба эти фактора. При этом, следует иметь в виду, что деформирование скелета грунта всегда сопровождается движением льда.

Проблема состоит в установлении общих закономерностей относительного движения твердых фаз (льда и грунтовых частиц) в мерзлых и промерзающих грунтах. Последовательное решение задачи предполагает, что на первом этапе исследования фактор деформирования скелета должен быть исключен из рассмотрения. Это можно сделать посредством использования пористых материалов с жестким скелетом.

Объект исследования – мерзлая жесткая бипористая среда, содержащая жидкую фазу.

Предмет исследования – тепломассообменные свойства указанной выше системы.

Основная цель работы. Установить роль движения льда относительно минерального каркаса в тепломассообменных процессах в мерзлых пористых средах вблизи температуры начала замерзания. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

-        разработка модели бипористой среды регулярной структуры и установление связи между потоками и термодинамическими силами;

-        определение коэффициентов теплопроводности льда с пористыми частицами и коэффициентов переноса пористой среды с включениями льда, мелкопористая часть которых насыщена водным раствором неэлектролита;

-        определение коэффициентов теплопроводности и термоэлектрополяризации льда с пористыми частицами и коэффициентов переноса пористой среды с включениями льда, мелкопористая часть которых насыщена водным раствором электролита и обладает осмотическими и электроосмотическими свойствами;

-        разработка экспериментального метода и создание установки по определению коэффициентов переноса мерзлых пористых сред с высоким разрешением по температуре. Измерение тепломассообменных характеристик пористой среды с включением льда и проведение сравнительного анализа с теорией.

Научная новизна работы.

-        установлено, что законы переноса тепла и массы для мерзлой бипористой среды представляются в общем виде: потоки тепла и массы линейно зависят от всей совокупности термодинамических сил – градиентов температуры, давления жидкости, концентрации раствора и электрического потенциала;

-        доказано, что движение льда в пористой среде, насыщенной раствором неэлектролита заметно увеличивает теплопроводящую, термоосмотическую и осмотическую способность среды;

-        доказано, что движение льда в пористой среде, насыщенной раствором электролита, значительно увеличивает термоэлектрическую способность среды и практически не сказывается на величинах электроосмоса и потокового потенциала; показано, что осмотические и электроосмотические свойства мелкопористой части среды существенно влияют на тепломассообменные свойства бипористой среды;

-        впервые определена в эксперименте вся совокупность коэффициентов переноса образца мерзлой пористой среды и выявлена двоякая роль незамерзшей воды между льдом и скелетом пористой среды.

Практическая значимость работы.

Прогноз влияния температурных условий на устойчивость сооружений, находящихся в холодных климатических условиях, основан на моделировании тепломассообменных процессов в промерзающих или протаивающих грунтах. Неотъемлемыми составляющими теоретических моделей криогенного текстурообразования и влагонакопления являются законы переноса тепла и массы. Настоящим исследованием обосновывается, что законы переноса для мерзлой породы, которая содержит в своем составе достаточное количество незамерзшей воды, должны иметь общую форму: потоки тепла и массы линейно выражаются через всю совокупность термодинамических сил.

Скорость и направление движения льда внутри пористых объектов регулируются внешними градиентами термодинамических величин и зависят от тепломассообменных свойств среды. Размещенный внутри микробиологогического объекта лед может служить инструментом для изучения особенностей функционирования биологических систем и способом воздействия на их свойства.

В мембранной технологии для нахождения максимального размера сквозных каналов применяется «метод определения точки пузырька плоских мембран» (ГОСТ Р 50516-93). Этим методом определяют размеры пор в диапазоне 0,1 – 15 мкм. Нами предложен способ определения максимального размера сквозных в диапазоне 0,04 – 2 мкм по проникновению льда через фильтр, который по сравнению с методом пузырька имеет ряд преимуществ.

       На защиту выносятся.

1.        Теоретическая модель бипористой среды и общие результаты исследований ее тепломассообменных свойств: законы переноса тепла и массы в мерзлых пористых средах вблизи температуры начала замерзания имеют общую форму – потоки тепла и массы выражаются через всю совокупность термодинамических сил: градиенты температуры, давления жидкости, концентрации раствора и электрического потенциала.

2.        Результаты исследования тепломассообменных свойств бипористой среды, насыщенной раствором неэлектролита: увеличение значений коэффициентов теплопроводности, осмоса и термоосмоса мерзлых пористых сред вблизи температуры начала замерзания есть следствие движения льда относительно минерального каркаса.

3.        Результаты исследования тепломассообменных свойств бипористой среды, насыщенной раствором электролита: наличие льда в пористой среде значительно усиливает его термоэлектрополяризационные свойства и ослабляет электроосмотическую способность среды, в то время, как значение потокового потенциала слабо зависит от содержания льда в пористой среде.

4.        Результаты экспериментальных исследований тепломассообменных свойств водонасыщенной пористой керамики с включением льда: показано, что измеренные коэффициенты переноса близки по величине к расчетным; обнаружена слабая зависимость величин коэффициентов от температуры в диапазоне –0,01  –0,05 град. Цельсия; подтверждена выполнимость принципа взаимности Онзагера для систем с фазовыми переходами. Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических исследований показывает, что незамерзшая вода между льдом и поверхностью минерала выполняет двоякую роль: с одной стороны, уменьшает скорость движения льда и, как следствие, снижает массоперенос воды в твердой фазе, с другой стороны, служит дополнительным водотоком, тем самым, повышая массоперенос в жидкой фазе.

       Личный вклад соискателя. Основные результаты по теме диссертации получены лично автором.

       Работа выполнена в соответствии с планами научных исследований ИКЗ СО РАН, включая  интеграционные программы СО РАН №№ 13 и 122), и на отдельных этапах была поддержана грантами: РФФИ 05-05-64228-а; Губернатора Тюменской области 2007 г. “Режеляционный способ очистки воды”; Губернской Академии 2007, 2008 гг.

       Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих конференциях: 9 межотраслевой научно-методологический семинар (Тюмень, 2002); Международная конференция Permafrost (Zurich, Switzerland, 2003), Международная конференция “Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения” (Пущино, 2003), Международная конференция «Криосфера нефтегазоносных провинций» (Тюмень, 2004), Международная конференция «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменений» (Тюмень, 2006), Международная конференция «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения» (Тюмень, 2008).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 работ, включая 1 книгу (в соавторстве), 9 статей в рецензируемых зарубежных (International Journal of Heat and Mass Transfer – 4 статьи) и отечественных журналах, в том числе из перечня ВАК – 5 статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 262 страницы, в том числе 46 рисунков и 4 таблицы, список литературы содержит 205 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, раскрывается научная новизна, отмечена практическая значимость полученных результатов.

Глава 1. Термодинамический аспект криогенного текстурообразования

Глава носит обзорный характер. В первом параграфе показано, что в современных моделях криогенного текстурообразования важную роль играет промерзающая зона – мерзлый грунт вблизи температуры начала замерзания. Лед участвует при тепломассопереносе в промерзающей зоне вследствие его движения относительно грунтовых частиц (режеляции).

Во втором параграфе дается обзор по режеляции льда в системах двух видов: движение твердых, жидких и газообразных включений через лед и движение льда внутри твердого тела. Несмотря на длительную историю изучению этого явления, внимание ко второй системе было привлечено сравнительно недавно работами Р.Д. Миллера (1978-1985гг.) по моделированию криогенного текстурообразования в промерзающих грунтах. Некоторые допущения модели относительно движения льда через скелет грунта требуют экспериментального и теоретического обоснования. Поэтому изучение особенностей движения льда в модельных системах следует рассматривать как этап в построении физически обоснованной теории криогенного текстурообразования промерзающих грунтов.





Перенос жидкой фазы в мерзлых грунтах вблизи температуры начала замерзания происходит через незамерзшие грунтовые агрегаты. Поэтому в третьем и четвертом параграфах дается обзор равновесных и неравновесных свойств пористых сред, насыщенных раствором неэлектролита и электролита.

Основные результаты работы:

Глава 2. Модель бипористой среды

В данной главе представлена модель бипористой среды, ее основные свойства и общая постановка задачи о стационарном тепломассопереносе.

Бипористая среда регулярной структуры состоит из двух однородных (гомогенных) элементов - водонасыщенной мелкопористой среды и льда (рис. 1).

Элементы среды обладают следующими свойствами. Мелкопористая часть среды насыщена бинарным раствором электролита и проницаема для текучей субстанции. Каркас пористой среды не деформируем и изготовлен из нейтрального вещества, которое не вступает в реакции обмена с раствором электролита. Газовая фаза отсутствует.

Лед полагается жестким телом, непроницаемым для флюида, и может двигаться относительно каркаса мелкопористой среды вследствие режеляции, т.е. плавиться при сближении с препятствием и восстанавливать свою форму при удалении от поверхности полости за счет замерзания воды. При кристаллизации лед полностью отторгает инородные примеси.

Термодинамические условия обеспечивают сохранение льда в крупных порах и запрещают его проникновение в мелкие поры.

Изучается одномерный стационарный процесс тепломассопереноса. В силу симметрии проблема решается для одной элементарной ячейки (Рис. 2), на горизонтальных гранях которой заданы постоянные значения термодинамических величин: температуры, давления жидкости, концентрации раствора и электрического потенциала. Потоки тепла и массы через боковые грани равны нулю. В градиентном поле термодинамических потенциалов лед может перемещаться относительно каркаса мелкопористой среды и в силу симметрии, скорость его движения параллельна оси Z.

Система кооординат привязана к каркасу пористой среды.

В пренебрежении конвективным переносом тепла, распределение температуры T в элементах ячейки E1 и E2 удовлетворяет уравнению Лапласа:

       (1)

где Δ – оператор Лапласа.

В пренебрежении термоосмотическими свойствами микропористой среды плотности потоков массы через нее линейно связаны с движущими силами – градиентами давления жидкости, электрического потенциала и концентрации раствора:

jV = kpp∇p + kpe∇φ + kps∇cs        

je = kep∇p + kee∇φ + kes∇cs        (2)

js = ksp∇p + kse∇φ + kss∇cs,        

где jV, je, js - плотности объемного потока раствора, электрического тока и молярного потока растворенного вещества, p - давление жидкости, плотность, φ - электрический потенциал, cs - молярная концентрация раствора, kpp, kpe,..., kss - коэффициенты переноса. Соотношения взаимности Онзагера для потоков и термодинамических сил (2) имеют следующий вид:

kpe = kep, , ,        (3)

где Vw - парциальный молярный объем воды в растворе, kπ – некоторый параметр, , μw - химический потенциал воды в растворе. Далее в тексте индекс w будет обозначать воду, i – лед.

В работе предложен способ, позволяющий связать феноменологические k-коэффициенты с опытными величинами.

Уравнения движения ионов в объемном растворе обобщаются на ограниченное пространство посредством введения коэффициентов торможения δi:

, i = 1, 2        (4)

где ci – молярная концентрация i-ионов в растворе; Di, ui - коэффициент диффузии и подвижность i-иона. Знак величины подвижности совпадает со знаком иона.

В эксперименте определяются коэффициенты гидропроводности Kh, осмоса Kos и электроосмоса Ke, которые связывают объемный поток jV c термодинамическими силами:

       (5)

Коэффициенты, входящие в законы переноса массы (2) – (4), выражаются через опытные величины Kh, Kos, Ke:

kpp = -Kh; kpe = -Ke; kps = Kos        (6)

kep = -Ke; ; kes = -kD        (7)

;; kss = -Dn,        (8)

где ;;; , Dk, uk - коэффициент диффузии и подвижность k-иона, ; νk - число k-ионов при диссоциации молекулы растворенного вещества (k = 1, 2), F – постоянная Фарадея, Rg – универсальная газовая постоянная, zk – формальный заряд k-иона.

Будем полагать, что для раствора в пористой среде, также как и для объемного раствора, справедливо соотношение Эйнштейна, связывающее коэффициенты диффузии ионов и их подвижности:

Уравнения переноса (2) в совокупности с законом сохранения массы позволяют получить уравнения для термодинамических величин p, cs и φ . В дальнейшем изучаются свойства системы вблизи состояния равновесия. В этом случае k-коэффициенты (6) – (8) можно положить константами, а уравнения для величин p, cs и φ в мелкопористой среде упрощаются и представляют собой уравнения Лапласа:

       (9)

Уравнение для поиска электрического потенциала во льду (однородный диэлектрик) - также уравнение Лапласа:

       (10)

Граничные условия

На основаниях ячейки в общем случае заданы постоянные значения термодинамических величин (Рис. 2):

на нижней грани (z = -b/2):

T = T1, p = p1, cs = cs1, φ = φ1        (11)

на верхней грани (z = b/2):

T = T2, p = p2, cs = cs2, φ = φ2        (12)

В силу пространственной симметрии потоки тепла и массы через боковые грани ячейки (Sl) равны нулю:

, , , ,        (13)

где через обозначены производные по направлению l, перпендикулярном боковой поверхности.

На поверхности включения (на контакте льда и мелкопористой среды) граничные условия задаются из следующих физических требований – непрерывность температуры и электрического потенциала. По отношению к потокам требуется выполнимость баланса тепла и массы воды, а также полное отторжение льдом примесей, содержащихся в поровом растворе.

При записи баланса тепла должно приниматься во внимание наличие тепловыделения на границе раздела лед-пористая среда.

Условия на границе включения имеют следующий вид:

- для температуры:

(непрерывность температуры)        (14)

(условие Стефана)        (15)

где κ – молярная теплота плавления льда; vi – скорость движения льда; Vi – молярный объем льда; λ1 и λ2 - коэффициенты теплопроводности элементов ячейки E1 и E2; R – радиус включения; r, θ - радиус и угол в сферической системе координат, δE - параметр конфигурации системы: δE = 1, если E1 - лед, E2 – мелкопористая среда, и δE = -1 для обратной конфигурации.

Граничные условия на поверхности включения следуют из законов переноса (1), закона сохранения массы для воды и условия отторжения примесей льдом:

,        (16)

где - элементы матрицы обратной матрице .

Для электрического потенциала на границе раздела лед - частица, помимо соотношения (16), задается условие непрерывности электрического потенциала:

       (17)

Скорость движения льда vi, входящая в граничные условия (15) - (16), находится из условий механического равновесия частицы и локального фазового равновесия льда и воды в растворе, которые  в отсутствие внешних силовых полей дают следующее выражение:

,        (18)

где SR – поверхность, ограничивающая включение; n - внешняя нормаль к элементу поверхности dS; T0 = 273,15 K.

Совокупность уравнений (11) – (18) - граничные условия для задачи тепломассопереноса в ячейке, которая представляет собой систему уравнений (уравнения Лапласа): для температуры (1), электрического потенциала (9) и (10) в элементах ячейки E1 и E2, а также для давления и концентрации (10) в микропористой среде.

В пятом параграфе изложена суть метода анизотропной проводимости, при помощи которого решается задача тепломассопереноса для элементарной ячейки среды.

Изотропные элементы ячейки заменяются анизотропными. В направлении внешних градиентов величины коэффициентов переноса имеют реальные значения. В плоскости, перпендикулярной внешним градиентам, коэффициенты проводимости принимаются равными нулю или бесконечности. Таким образом, изучаются тепломассообменные свойства двух ячеек в предельными горизонтальными проводимостями. А их коэффициенты переноса дают границы интервала, в который попадают коэффициенты переноса ячейки с изотропными свойствами ее элементов.

Во второй части параграфа дается обоснование метода и приводятся простые примеры его применения.

В шестом параграфе получены явные значения коэффициентов переноса бипористой среды, мелкопористый элемент которой обладает осмотическими и электроосмотическими свойствами.

Показано, что потоки через грани ячейки связаны с термодинамическими силами общим соотношением:

       (19)

Методом анизотропной проводимости получен явный вид C-коэффициентов. Соотношениe (19) является общим для ячеек с бесконечной и нулевой горизонтальной проводимостью. Отличие между двумя асимптотиками находит отражение в конкретных значениях коэффициентов переноса. Непосредственная проверка подтверждает выполнимость соотношений взаимности Онзагера для рассматриваемой гетерогенной среды с фазовыми переходами.

Глава 3. Тепломассообменные свойства бипористой среды, насыщенной раствором неэлектролита

В данной главе рассмотрены две системы: лед с пористыми частицами (§1) и пористая среда с макровлючениями льда (§2). Для каждой из систем дана постановка задачи и приводится ее решение. Далее более детально изложены результаты второго параграфа.

Мелкопористая составляющая среды не обладает осмотическими свойствами, т.е. в системе (2) остаются два уравнения (первое и последнее) при kps = 0, kpe = 0, kse = 0. Тем не менее для среды в целом, как результат движения льда, осмотический коэффициент оказывается отличным от нуля.

Количество компонентов раствора равно двум – вода и растворенное вещество. Граничные условия (14) на поверхности раздела лед - мелкопористая среда упрощаются и принимают следующий вид:

       (20)

,        (21)

Задача решается аналитически методом анизотропной проводимости, который дает границы области возможных значений коэффициентов переноса.

Как результат решения задачи получен явный вид коэффициентов переноса и исследовано влияние различных факторов на тепломассообменные свойства рассматриваемой среды. В общем случае коэффициенты переноса зависят от доли льда в ячейке, коэффициентов теплопроводности элементов среды, коэффициента гидропроводности мелкопористой составляющей, концентрации раствора и коэффициента диффузии растворенного вещества. Ниже приведены теплопроводящие, осмотические и термоосмотические характеристики мелкопористой среды с включениями льда.

Величина эффективного коэффициента теплопроводности в зависимости от доли льда в ячейке, коэффициента гидропроводности мелкопористой среды и концентрации раствора представлена на рисунках 3 и 4.

В реальных системах – мерзлых грунтах – движение льда относительно грунтовых частиц происходит вблизи температуры начала замерзания. Косвенным подтверждением этому могут служить экспериментальные зависимости коэффициента теплопроводности мерзлого грунта от температуры. Вблизи температуры начала замерзания или конца оттаивания характер зависимости немонотонный, значение коэффициента теплопроводности грунта достигает в этой области максимальной величины [Комаров, 2003].

Осмотические свойства характеризуются коэффициентом осмоса σ, который определяется из условия JV = 0 и представляет собой коэффициент пропорциональности между перепадом давления жидкости и осмотическим давлением:

Δp = σRgTΔcs

где Rg – универсальная газовая постоянная.

На рис. 5 приведены зависимости величины осмотического коэффициента ячейки σb от концентрации при различных коэффициентах гидропроводности мелкопористой части среды.

Для характеристики массопереноса под действием градиента температуры при нулевых значениях градиентов концентрации и давления вводится термоосмотический коэффициент χ, который устанавливает линейную связь объемным потоком жидкости и градиентом температуры:

Для большинства талых пористых материалов с размерами пор ~100 величина коэффициента имеет порядок χ0 = 10-10 м2/с. На рис. 6 приведены графики относительные значения термоосмотического коэффициента δχ = χ/χ0 мерзлого образца в зависимости от концентрации раствора. Теоретическое значение термоосмотического коэффициента по порядку величины совпадает с экспериментальным, полученным для мерзлого грунта [Perfect, Williams, 1980].

Представленные в данной главе результаты на примере модельной бипористой среды с включениями льда показывают, что потоки тепла и массы выражаются через всю совокупность термодинамических сил.

Подтверждена выполнимость постулата Онзагера о симметричности перекрестных коэффициентов для системы с фазовыми переходами: пористая среда - лед - водный раствор.

Показано, что перекрестные эффекты есть следствие режеляционного движения льда.

Величина недиагональных коэффициентов переноса в пористой среде с фазовыми переходами может на порядки превысить значения аналогичных параметров системы без фазовых переходов.

Степень влияния примеси на тепломассообменные свойства зависит от коэффициента диффузии и концентрации. При коэффициенте диффузии, равном 10-10 м2/с растворенные вещества проявляют себя в тепломассообменных процессах, начиная с достаточно малых концентраций (~0,001 моль/л).

Глава 4. Тепломассобменные свойства бипористой среды, насыщенной бинарным раствором электролита

В настоящей главе представлены результаты исследования тепломассообменных свойств двух разновидностей бипористой среды: лед с пористыми частицами (§1) и пористая среда с макровключениями льда (§2).

Вследствие существования в растворе подвижных зарядов – анионов и катионов, образующихся при диссоциации молекулы электролита, рассматривая система приобретает электрические свойства. Процессы переноса в таких системах приводят к различным электрическим эффектам, в основе которых лежат два относительно независимых механизма: диффузионный и двойной электрический слой.

Диффузионный механизм связан с различием коэффициентов диффузии анионов и катионов и проявляет себя даже в объемных растворах, как появление разности электрических потенциалов в растворе электролита переменной концентрации (диффузионный потенциал). Этот механизм определяет электрические свойства пористых сред с малой удельной поверхностью.

Механизм двойного электрического слоя основан на пространственном разделении анионов и катионов раствора вблизи поверхности минерала и обнаруживает себя в мелкодисперсных пористых средах. Отличие подвижности ионов двойного электрического слоя от подвижности ионов в объемном растворе – причина таких перекрестных эффектов как электроосмос или потоковый потенциал.

Для каждой разновидности бипористой среды приведена постановка задачи, изложено ее решение методом анизотропной проводимости и получен явный вид коэффициентов переноса. При анализе влияния различных факторов на тепломассообменные свойства системы действие второго механизма можно исключить, полагая в системе (6) – (8) коэффициенты Kos и Ke равными нулю.

Далее изложены результаты, относящиеся только к пористой среде с включениями льда.

Эффективная теплопроводность открытой ячейки. В открытой системе положим перепады давления, электрического потенциала и концентрации на гранях ячейки, равными нулю (p1 = p2; φ1 = φ2; cs1 = cs2). При этом через образец возможен поток вещества. Выражение для эффективного коэффициента теплопроводности открытой системы следует из выражения (19)

       (24)

На Рис. 7 приведены зависимости коэффициента теплопроводности ячейки в зависимости от концентрации. Теплопроводящая способность среды уменьшается с падением гидропроводности мелкопористой части среды. Влияние концентрации раствора на коэффициент теплопроводности начинает сказываться при более высоких значениях cs по сравнению с аналогичной зависимостью (Рис. 4) для среды, не обладающей осмотическими и электроосмотическими свойствами.

Эффективная теплопроводность закрытой ячейки. В закрытой системе поток вещества через границу равен нулю (JV = 0; Je = 0; Js = 0). Соотношение (19) представляется в следующем виде:

       (25)

где – матрица C-коэффициентов переноса.

Умножение выражения (25) на обратную матрицу и несложные преобразования дают явный вид коэффициента теплопроводности (Рис. 7)  закрытой ячейки пористой среды с включениями льда:

       (26)

Сравнение Рис. 7 и 8 показывает, что теплопроводящие свойства среды в условиях закрытой системы всегда ниже, чем в условиях открытой системы.

Влияние осмотических свойств мелкопористой среды на теплопроводящие свойства бипористой среды с включениями льда весьма существенно в области высоких концентраций порового раствора (Рис. 4 и 7).

Осмос. Осмотический эффект регистрируется в закрытой системе и связан с возникновением разности давлений в сосудах, разделенных пористой перегородкой. Величина эффекта характеризуется осмотическим коэффициентом σ, который для идеальной мембраны равен единице. Связь между разностью давлений и концентраций для бинарного раствора сильного электролита представляется в следующем виде:

Δp = 2σRgTΔcs

Найдем величину осмотического эффекта при одинаковой температуре на гранях ячейки (Xq = 0). В этом случае система уравнения (19) при jV = 0 и je = 0 дает следующие два равенства:

Сpp∇bp + Сpe∇bφ + Сps∇bcs = 0

Сep∇bp + Сee∇bφ + Сes∇bcs = 0

Величина осмотического коэффициента ячейкиσb выражается через C-коэффициенты из последних трех соотношений:

На Рис. 9 приведены результаты расчетов осмотического коэффициента методом анизотропной проводимости. Величины коэффициентов для ячеек с нулевой и бесконечной горизонтальной проводимостями отличаются незначительно. Осмотический эффект слабо зависит от концентрации раствора и усиливается с понижением гидропроводности пористой среды.

Свойства мелкопористой части среды существенно влияют на характер зависимости осмотического коэффициента от температуры (Рис. 5 и 9) Бипористая среда с включениями льда обладает осмотическими свойствами даже в том случае, когда осмотический коэффициент мелкопористой среды равен нулю (Рис. 5). Однако, в этом случае величина σb резко уменьшается при концентрации, превышающей 0,01 – 0,1 моль/л.

Электроосмос. Электроосмос – движение раствора через пористую среду под действием внешнего электрического поля.

Количественной характеристикой электроосмотических свойств среды служит коэффициент переноса, стоящий перед градиентом электрического потенциала в выражении для объемного потока жидкости. Наличие льда в пористой среде меняет ее свойства. Это изменение будем характеризовать относительным коэффициентом электроосмоса δpe, равным отношению коэффициентов переноса бипористой среды со льдом Cpe и мелкопористой среды kpe:

δpe = Cpe/kpe

Подстановка в последнее выражение явного вида коэффициентов Cpe и kpe показывает, что величина δpe зависит только от доли льда в ячейке (Рис. 10) и оказывается меньше единицы. Появление льда в пористой среде уменьшает ее электроосмотические способности. Это свойство есть следствие предположения о том, что лед отторгает инородные примеси и не участвует в разделении и переносе электрического заряда.

Потоковый потенциал. Потоковый потенциал – электрическое поле, возникающее в пористой среде при движении через нее жидкости. Количественной характеристикой служит коэффициент пропорциональности μ между наведенной разностью электрических потенциалов и перепадом давления жидкости:

Δφ = μΔp

при Je = ∇bcs = Xq = 0.

Согласно второму уравнению системы (19) коэффициент μ для бипористой среды выражается через C-коэффициенты переноса:

μ = Cep/Cee

Относительный коэффициент потокового потенциала δμ определим аналогично коэффициенту δpe, как отношение коэффициентов потокового потенциала бипористой среды со льдом и мелкопористой среды:

Подстановка явного вида С-коэффициентов в последнее соотношение дает одинаковый результат для ячеек с бесконечной и нулевой горизонтальными проводимостями

Следовательно, в принятых допущениях теоретической модели появление льда в пористой среде не влияет на коэффициент потокового потенциала, т.е. коэффициенты μ бипористой среды со льдом и мелкопористой среды оказываются одинаковыми. Причина этого указана в конце предыдущего подраздела.

Термоэлектрополяризация. Термополяризационные свойства среды проявляются в возникновении разности электрического потенциала на границах образца в градиентном поле температуры. В настоящем параграфе представлены результаты расчета потенциала термоэлектрополяризации закрытой ячейки (JV = Js = Je = 0) пористой среды с включениями льда. Градиент температуры вызывает движение льда относительно мелкопористой среды, что в свою очередь приводит к фильтрации раствора и появлению градиента концентрации. Таким образом, потенциал термоэлектрополяризации прямо связан с работой двух механизмов – диффузионного и двойного электрического слоя.

Система уравнений для нахождения разности давления Δp, концентрации Δcs и электрического потенциала Δφ на основаниях ячейки от разности температуры ΔT следует из общих соотношений (19)

где .

Принимая во внимание нулевое значение Ceq и Csq, после соответствующих преобразований последнего соотношения величина термоэлектрополяризации представляется в следующем виде (Рис. 11):

где - элемент матрицы обратной .

Величина термоэлектрополяризации увеличивается в уменьшением концентрации раствора, слабо зависит от гидропроводности мелкопористой части среды и достигает порядка 1 в/град при концентрации раствора 10-4 моль/л.

Механизм двойного электрического слоя вносит существенный вклад в термоэлектрополяризационный свойства системы. Так, если мелкопористая среда не обладает электроосмотическими свойствами (Рис. 12), то величина термоэлектрополяризации становится меньше почти на порядок и не превышает 400 мВ/град.

Приведенные данные показывают, что электроосмос, потоковый потенциал, термоэлектрополяризация среды становятся слабее с увеличением концентрации порового раствора.

Осмотические и электроосмотические свойства мелкопористой части бипористой среды могут существенно влиять на свойства бипористого материала со льдом в области высоких концентраций раствора (Рис. 4 и 7, 5 и 9) или в области малых концентраций (Рис. 11 и 12).

Глава 5. Экспериментальное исследование тепломассообменных свойств водонасыщенной керамики с включением льда

В данной главе представлены описание экспериментальной установки, методика эксперимента и результаты измерения коэффициентов переноса ячейки бипористой среды, насыщенной дистиллированной водой. Обнаружено количественное расхождение величин, полученных в опыте и вычисленных из теории. Проанализированы и указаны наиболее вероятные причины этого.

В первом параграфе изложена методика проведения эксперимента.

Для изучения тепломассообменных свойств мерзлых пористых материалов вблизи температуры начала замерзания сконструирована экспериментальная установка, основной блок которой изображен на Рис. 13. В качестве объекта исследования выбрана модельная ячейка бипористой среды - цилиндр из пористой керамики с полостью (Рис. 13б). Пористая среда сбоку полости собрана из трех колец керамики, разделенных тонким слоем герметика. Тем самым предполагается, что весь поток массы через среднюю часть образца будет переноситься включением льда посредством режеляции.

Основные характеристики образца и элементов основного блока установки приведены в таблице 1.

Таблица 1

Диаметр (внешний), мм

Высота, мм

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅град)

Коэффициент гидропроводности, м2/(Па⋅с)

Полость (лед)

20,2

16,5

2,2

0

Керамика)

29,7

26,9

1,4

1,9⋅10-13

Обойма

32,2

26,9

0,35

0

Эталонный цилиндр

44,5

31,4

0,21

0

Подготовительный этап опыта включает следующие работы: вакуумирование образца и подводящих трубок, заполнение системы дегазированной водой, одностороннее замораживание керамического образца и последующая оттайка подводящих трубок (7) и емкостей (14) (Рис. 13), домораживание воды в полости. По времени подготовительный этап занимает от трех суток до недели.

Керамика служит фазовым барьером от проникновения льда в емкости (14) вплоть –0,05 C.

В эксперименте измеряются величины потоков тепла и массы через образец, вызванные разностью давлений жидкости в капиллярных трубках (7) или разностью температур латунных пластин (2). Для определения величины теплового потока служат эталонные цилиндры (3), а поток жидкости находится по движению мениска жидкости в калиброванных капиллярных трубках. Величина температуры измеряется в четырех точках 8 (Рис. 13а) при помощи разностных медь-константановых термопар.

Опорный спай термопары поддерживается при температуре 0 С, посредством его погружения в термос с дистиллированной водой и измельченным льдом. В свою очередь термос размещается в холодильнике с температурой воздуха незначительно выше 0 С.

При помощи термостата проведено определение абсолютной погрешности системы измерения, которая составляет не более ±0,01 градуса. Погрешность в измерении разности температур дифференциальным методом - менее ±0,004 градуса.

Для большинства измерений среднеквадратичное отклонение среднего значения температуры теплообменников не превышает 0,0005 градуса, латунных пластин - 0,005 градуса.

Для сравнения результатов измерений с теорией создана вычислительная программа по решению сопряженных тепловой задачи во внутренней области основного блока и задачи фильтрации в керамике. Входными параметрами являются температура теплообменников (5) и давление в трубках (7) (Рис. 13а). Программа находит скорость движения льда в полости ячейки, температуру латунных пластин (2), также величины потоков тепла и жидкости через основания образца.

В втором параграфе приведены результаты изучения тепломассопереноса через образец под действием градиента давления жидкости. Порядок измерения следующий. Перед началом опыта устанавливается одинаковая температура теплообменников (5) и, как следствие, латунных пластин (2) с точностью 0,01 градуса при нулевом перепаде давления. Затем последовательно в течение 1 суток поддерживается разность давлений в капиллярах (7) из следующего ряда значений: 0,37; 2,3; 12; 32; 64 кПа.

На рис. 14 представлены результаты измерений потока воды через образец под действием градиента давления жидкости при различных средних температурах образца.

Эксперимент показывает, что величина потока массы через образец уменьшается с понижением средней температуры. Это может быть объяснено гидравлическим сопротивлением пленки незамерзшей воды, разделяющей лед и каркас пористой среды. Однако сравнение с теорией, в которой этот фактор исключен из рассмотрения, показывает, что расчетная величина потока массы меньше наблюдаемой в эксперименте. Может быть истинное значение скорости движения льда выше теоретического?

В качестве индикатора скорости движения льда служит разность температур латунных пластин (2) (Рис. 15). При сближении со стенкой столбик льда плавится с поглощением тепла. На противоположной стороне включения происходит обратный процесс - замерзание воды и выделение тепла. Разделенные в пространстве источники и стоки тепла изменяют температурное поле окружающей среды и создают перепад температуры на пластинах, который пропорционален скорости движения льда. Экспериментальные данные на рис. 15 показывают, что с понижением средней температуры образца уменьшается перепад температуры на пластинах, а значит и скорость движения льда в полости. Такое поведение системы может быть объяснено зависимостью гидравлического сопротивления пленки незамерзшей воды от температуры. Не противоречит этому объяснению и то, что экспериментальные точки оказываются ниже расчетных – в теории гидравлическое сопротивление не принимается во внимание.

На основании результатов теплофизических измерений можно сделать вывод о том, что истинная скорость движения льда в полости не превышает теоретическую. В таком случае, чтобы объяснить более высокие значения потока жидкости в эксперименте по сравнению с теорией (Рис. 14) необходимо ввести в рассмотрение дополнительные факторы. На наш взгляд наиболее вероятной причиной расхождения данных эксперимента и теории является наличие незамерзающих каналов жидкости между стенками полости и столбиком льда. Так согласно расчетам, если убрать гидроизоляцию между керамическими кольцами (Рис. 13б, 13), поток массы в системе возрастает почти в 50 раз.

Нельзя также исключить возможность движения жидкости через лед по незамерзающим межзерновым каналам, свойства которых обсуждается в ряде работ [Ketcham, Hobbs, 1969; Mader, 1992].

Во третьем параграфе представлены результаты экспериментальных работ по изучению тепломассопереноса через образец под действием градиента температуры.

Градиент температуры инициирует движение льда в полости ячейки (Рис. 13б) и, как следствие, через образец устанавливается поток жидкости.

Экспериментальные величины потоков тепла и расхода жидкости в зависимости от перепада температуры на основаниях образца представлены на Рис. 16. Между величиной потоков и перепадом температуры на границах образца наблюдается примерно линейная зависимость. Понижение средней температуры при прочих равных условиях приводит к уменьшению величин потоков тепла и массы. Сравнение с теорией показывает, что в отличие от результатов опытов, в которых потоки создавались градиентом давления, на обоих графиках экспериментальные точки лежат ниже расчетных значений и обнаруживают значительно больший разброс данных.

В четвертом параграфе представлены результаты обработки экспериментальных данных по измерению потоков тепла и массы под действием различных термодинамических сил (градиентов давления и температуры).

Опыты, проведенные при различных граничных условиях (Рис. 15 и Рис. 16б), показывают, что система обладает термоосмотическими и баротермическими свойствами, т.е. градиент температуры создает поток массы через образец, а градиент давления - поток тепла. Поэтому в основу обработки экспериментальных данных положены уравнения переноса в общем виде:

       (27)

где jV– плотность объемного потока [м·с-1] и jq– плотность потока тепла [Дж·м-2·с-1] через основания образца; Δp, ΔT - перепады давления жидкости [Па] и температуры [К] на высоте образца Δx [м]; Cpp, Cpt, Ctp, Ctt - коэффициенты переноса; T0 = 273,15 K.

Результаты двух экспериментов, проведенных при различных граничных условиях, образуют два набора данных (экспериментальных точек). Первый набор получен в эксперименте, в котором потоки создавались градиентом давления жидкости при перепаде температуры на теплообменниках равном нулю. Точки второго набора – данные эксперимента, в котором в качестве движущей термодинамической силы выступает градиент температуры при нулевом перепаде давления жидкости. По двум экспериментальным точкам из первого и второго наборов на основании соотношений (27) определяются коэффициенты переноса.

Как можно видеть на рис. 14 - 16 потоки тепла и массы, а значит и C-коэффициенты, зависят от средней температуры образца, которая, по этой причине, включена в набор параметров результатов измерения. Экспериментальные точки неравномерно распределены на температурной шкале, поэтому вначале были найдены значения температур, вблизи которых концентрация точек из обоих наборов максимальна. Затем вблизи этих узловых температур образованы группы из экспериментальных точек. В каждой группе данных была решена система уравнений (1) для всех сочетаний точек из первого набора со вторым, а затем вычислены средние коэффициенты переноса.

Величины коэффициентов в зависимости от средней температуры образца приведены на Рис. 17 - 18. Можно видеть, что с понижением температуры абсолютные значения коэффициентов уменьшаются.

Весь цикл измерений включал семь серий. После каждой серии за исключением четвертой производилась промывка системы дистиллированной водой в течение от 1 до 7 суток. Необходимость в этом обнаружилась в ходе эксперимента. В 1 серии было замечено, что величины потоков массы через образец значительно меньше расчетных. В конце этой серии температура фазового равновесия лед-вода оказалось равной –0,017 С, что соответствует концентрации раствора неэлектролита примерно 0,01 моль/л. Величина концентрации попадает в диапазон значений от 0,001 до 0,01 моль/л, в пределах которого происходит, согласно теоретическим оценкам резкое уменьшение скорости движения льда относительно каркаса пористой среды.

С целью проверки предположения о попадании в воду посторонних примесей была осуществлена промывка всей системы дистиллированной водой в течение недели. После первой промывки значение коэффициента Cpt, увеличилось больше, чем 5 в раз.

Для вычисления экспериментальных значений коэффициентов переноса были взяты результаты измерений 6 и 7 серий.

Теоретическая модель дает величины коэффициентов переноса, представленные в таблице 2.

Таблица 2

Cpp, м2с-1Па-1

Cpt, м2с-1

Ctp, м2с-1

Ctt, Дж·м-1с-1

-8,63·10-15

1,32·10-6

1,29·10-6

-524

Нарушение симметрии C-коэффициентов (Таблица 2) - следствие теплообмена образца с окружающей средой через боковую поверхность.

Сравнение коэффициентов переноса тепла Ctt (Рис. 17б и Таблица 2) показывает, что абсолютное значение теоретического коэффициента оказывается выше экспериментального практически по всем диапазоне температуры. Заметный вклад в величину коэффициента Ctt дает режеляционное движение льда. Так, если лед неподвижен относительно керамики, теоретическое значение коэффициента Ctt оказывается равным -326 Дж·м-1с-1.

Теория предсказывает более высокую скорость льда по сравнению с экспериментальной. Это различие может быть следствием двух причин: в теории не учитывается гидросопротивление пленки незамерзшей воды между основанием включения льда и стенками полости, а также предполагается отсутствие растворимых соединений в воде. Оба этих фактора уменьшают скорость льда относительно керамики.

Абсолютное значение коэффициента переноса вещества Cpp, найденное из теории (Таблица 2), оказывается меньше экспериментального (Рис. 17а) практически во всем диапазоне температур. С учетом предыдущего заключения наиболее вероятной причиной этого различия может быть течение жидкости между боковой поверхностью включения льда и стенками полости. Перенос жидкости по проводящим каналам увеличивает величину суммарного потока вещества под действием градиента давления, практически не меняя скорость льда.

В свою очередь оба фактора - уменьшение скорости режеляционного движения льда и наличие незамерзающих каналов между областями плавления льда и замерзания воды - приводят к тому, что величины недиагональных коэффициентов переноса Cpt и Ctp, измеренные в эксперименте, становятся заметно меньше теоретических. (Таблица 1 и Рис. 18).

Явные значения C-коэффициентов позволяют определить параметры процесса, при которых законы переноса тепла и массы необходимо применять в общей форме.

Слагаемые в законе переноса вещества (27) имеют один порядок, когда выполняется следующее соотношение:

       (28)

Принимая Cpp = -2·10-14 м2с-1Па-1 и Cpt =  5·10-7 м2с-1 (Рис. 17 - 18), из равенства (28) следует, например, что при перепаде давления 105 Па, изменение температуры ΔT = 1 K. Таким образом, термоосмотический вклад в массоперенос через образец становится заметным при изменении температуры среды не менее 1 K на 1 атм перепада давления жидкости. В природе это условие выполняется довольно часто.

Аналогично для перепада давления жидкости, выше которого закон переноса тепла должен применяться в общем виде, имеем

       (29)

Полагая Ctt = -420 Дж·м-1с-1 и Ctp =  5·10-7 м2с-1 (Рис. 3 - 4), из соотношения (29) получаем Δp/ΔT ≈ 3·106 Па·K-1.

Представленные выше оценки получены для пористой среды с макровключениями. Величина коэффициентов Cpt и Ctp, входящих в соотношения (28) и (29), определяется во многом гидравлическими свойствами каналов между областями плавления и замерзания льда, а значит и размером включения. С уменьшением размера льда роль проводимости гидравлических каналов возрастает и, как результат, должна быть меньше величина недиагональных коэффициентов. Косвенным подтверждением этому могут служить результаты экспериментальной работы [Horiguchi, Miller, 1980] - баротермические свойства обнаруживает макровключение льда между мембранами, но не мерзлые грунты. Наиболее вероятная причина - доля макровключений в грунте была достаточно мала. Однако, в настоящее время отсутствует необходимое количество экспериментального материала, на основании которого можно обоснованно судить о значимости размерного фактора включений льда в тепломассообменных процессах.


ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

  1. Для понимания роли льда в тепломассообменных процессах в дисперсных средах и, в частности, в мерзлых и промерзающих грунтах предложена модель бипористой среды, на основе которой изучены свойства двух систем: мелкопористой среды с включениями льда и льда с мелкопористыми частицами. Установлено, что вследствие движения льда относительно каркаса пористой среды законы переноса имеют общий вид, т.е. потоки тепла и массы линейно выражаются через всю совокупность термодинамических сил: градиенты температуры, давления жидкости, концентрацию раствора и электрического потенциала. Получен явный вид коэффициентов переноса и подтверждена выполнимость принципа взаимности Онзагера для систем с фазовыми переходами.
  1. Изучением тепломассообменных свойств бипористых сред, насыщенных раствором неэлектролита, показано, что возрастание значения коэффициента теплопроводности мерзлой породы по сравнению с коэффициентом теплопроводности талой, а также значительное увеличение величин термоосмотического и осмотического коэффициентов есть следствие движения льда относительно минерального каркаса пористой среды.
  1. Изучение тепломассообменных свойств бипористых сред, насыщенных раствором электролита, подтвердило значимость движения льда на их термоэлектрические свойства. Электроосмос, потоковый потенциал, термоэлектрополяризация среды становятся слабее с увеличением концентрации порового раствора. Осмотические и электроосмотические свойства мелкопористой составляющей существенно влияют на тепломассообменные свойства бипористой среды в области высоких концентраций раствора.
  1. Создан экспериментальный комплекс, включающий систему измерения и обработки данных, для изучения тепломассообменных свойств мерзлых пористых сред с высоким разрешением по температуре. Найдены коэффициенты переноса водонасыщенного образца керамики с включением льда в диапазоне температуры -0,05 ч 0 С. Величины коэффициентов уменьшаются с понижением температуры образца. На графике зависимости недиагональных коэффициентов от температуры наблюдается слабый максимум вблизи температуры -0,02  С. Сравнительный анализ данных эксперимента с теоретическими расчетами показывает, что наиболее вероятная причина их отличия – незамерзшая вода между льдом и поверхностью твердого тела, которая играет двоякую роль. С одной стороны, гидросопротивление пленки незамерзшей воды тормозит движение льда, уменьшая массоперенос в фазе льда, с другой, наличие незамерзших каналов увеличивает долю массопереноса через среду в жидкой фазе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов докторской диссертации:

  1. Горелик Я.Б., Колунин В.С. Физика и моделирование криогенных процессов в литосфере. - Новосибирск : СО РАН, Филиал “Гео”, 2002. – 317 с.
  2. Колунин В.С. Перенос воды и льда в пористых средах вблизи точки фазового перехода // Криосфера Земли. – 2003. – Т. 7, № 3. – С. 55-62.
  3. Колунин В.С. Тепломассоперенос в пористой среде с ледяными включениями // Криосфера Земли. – 2004. – Т. 8, № 4. – С. 45-53.
  4. Колунин В.С. Теплопроводность льда с пористыми частицами // Криосфера Земли. – 2005. – Т. 9, № 4. – С. 34-41.
  5. Kolunin V.S. Heat and mass transfer in porous media with ice inclusions near the freezing-point // Int. J. Heat Mass Transfer. – 2005. – Vol. 48, N 6. – P. 1175-1185.
  6. Kolunin V.S., Kolunin A.V. Heat and mass transfer in saturated porous media with ice inclusions // Int. J. Heat Mass Transfer. – 2006. – Vol. 49, N 6. – P. 2514-2522.
  7. Колунин В.С., Колунин А.В. Термоэлектрополяризация льда с пористыми частицами. I. Диффузионный механизм // Криосфера Земли. – 2008. – Т. 12, № 3. – С. 41-49.
  8. Колунин В.С., Колунин А.В. Термоэлектрополяризация льда с пористыми частицами. II. Mеханизм двойного электрического слоя // Криосфера Земли. – 2009. – Т. 13, № 3. – С. 40-48.
  9. Kolunin V.S., Kolunin A.V. Electrical cross effects in porous media with ice inclusions. I. Diffusion mechanism // Int. J. Heat Mass Transfer. – 2009. – Vol. 52, N 7-8. – P. 1627-1634.
  10. Kolunin V.S., Kolunin A.V. Electrical cross effects in porous media with ice inclusions. II. Double electrical layer mechanism // Int. J. Heat Mass Transfer. – 2009. – Vol. 52, N 23-24. – P. 5577-5584.

Статьи в сборниках:

  1. Kolunin V.S. Water and ice transfer in porous media near the phase transition point // Proc. 8th Int. Conf. on Permafrost, 21-25 July 2003, Zurich, Switzerland/ M. Philips, S.M. Springman, L.U. Arenson, Eds. – Taylor & Francis. – 2003. – P. 573-578.
  2. Колунин В.С. Теплоперенос в средах с тепловыми диполями // Материалы международной конференции «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения», Пущино. – 2003. – С. 214.
  3. Колунин В.С. Теплопроводность льда с пористыми частицами // Материалы международной конференции «Криосфера нефтегазоносных провинций», Тюмень. – 2004. – С. 136.
  4. Колунин В.С., Колунин А.В. Коэффициенты переноса пористой среды с ледяными включениями // Материалы международной конференции «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменений», том 2, Тюмень. – 2006. – С. 103-105.
  5. Колунин В.С., Колунин А.В., Писарев А.Д. Бипористая среда как модель мерзлого грунта // Материалы международной конференции «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения», Тюмень. – 2008. – С. 402-403.





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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.