Лекции № 21−23
Модели переноса через деформированную поверхность контакта фаз. Основные представления механизмов переноса, основанные на гипотезах Кинга, Кишиневского, Тишина.
При
движении газожидкостных потоков в
каналах, ограниченных твердыми
поверхностями большой практический
интерес представляет теоретическая
оценка скоростей переноса массы из
газовой фазы в жидкостную. Однако, в
отличие от твердых поверхностей,
межфазная поверхность раздела газ–жидкость
подвергается воздействию турбулентных
пульсаций и, как следствие, деформациям,
т.е. поверхность подвижна. Влияние
межфазной турбулентности на массоперенос
изучалось рядом исследователей, такими
как Кафаров, Кишиневский, Кинг, Тишин,
Меткин и др. В частности, Кафаров при
рассмотрении двухфазных потоков ввел
понятие фактора гидродинамического
состояния двухфазной системы
.
Значение
определялось из соотношения
,
(47)
где
;
– потери энергии в двухфазном и однофазном
потоках, соответственно.
Однако, уравнение (40), основанное на сравнении потерь энергии в двухфазном и однофазном потоке не раскрывает механизм переноса массы при наличии межфазной турбулентности.
Позднее были сделаны попытки описания полей скоростей и массы с учетом деформационного поведения поверхности контакта фаз (ПКФ). Основные этапы этих исследований шли по двум направлениям.
1.
Велись теоретические работы по оценке
параметра
(Меткин, Кинг, Тишин) из рассмотрения
механизма деформации поверхности
газового пузыря. При этом уравнение
(36) принимало следующий вид
.
(48)
2.
Выполнялись аналитические расчеты по
оценке поля скоростей по известным
законам затухания турбулентных пульсаций
у твердой стенки и с учетом
экспериментально определенных значений
определялся параметр
,
который представлял собой
,
(49)
где
– турбулентные пульсации скорости на
поверхности контакта фаз,
.
При
этом считалось
,
так как в противном случае происходит
дробление газового пузыря.
В
соответствии с принятой моделью затухания
турбулентных пульсаций (основные
представлены в табл. 2) определялись
значения
в уравнении (48).
Лекции № 24−26
Модели механизмов переноса, основанные на пенетрационной теории и пленочно-пенетрационной концепции переноса.
Большая группа моделей механизма переноса массы из одной фазы в другую основывается на пленочной модели и ее модификациях, которая, как и в гидродинамике турбулентных потоков предполагает существование пограничного слоя вблизи поверхности раздела фаз. В соответствии с пленочной моделью предполагается, что перенос импульса, теплоты и массы внутри пленки осуществляется молекулярными механизмами, которые определяются в первую очередь вязкостью, теплопроводностью и молекулярной диффузией, т.е. определяющими соответствующую скорость переноса являются μ, λ и D.
В соответствии с пленочной моделью коэффициенты переноса теплоты и массы в неподвижной или ламинарно-движущейся среде определяются
α
=
;
β
=
,
(50)
где δ – толщина пленки; β – коэффициент массоотдачи, α – коффициент теплоотдачи.
Вопрос применения пленочной модели к высокотурбулизованным потокам газожидкостной смеси остается открытым. Возможно модель имеет право на существование для случаев движения суспензий. Применение пленочной модели к раскрытию механизмов переноса импулься, теплоты и массы в газожидкостных смесях вызывает определенные сомнения и в первую очередь с позиций возможности образования пленки на поверхности раздела газ-жидкость в условиях турбулентного движения газожидкостной смеси.
В соответствии с пленочной моделью время контакта газа с жидкостью предполагается бесконечным и устанавливается стационарный перенос. В реальных условиях такой процесс наблюдаться не может.
Хигби предположил, что процесс массопереноса целевого компонента в жидкую пленку является нестационарным и происходит за вполне определенное время. В соответствии с концепцией Хигби элементарные вихри постоянно подводят к поверхности контакта фаз свежую жидкость и смывают частицы жидкости насыщенные газом. Таким образом, каждый элемент поверхности взаимодействует с газом в течение некоторого времени τ (время контакта) после чего элемент уходит в основной объем потока жидкости, его место занимает другой "свежий" элемент. При этом принимается, что за время τ растворение газа в элементе поверхности пленки происходит путем нестационарной диффузии с такой же скоростью, что и при диффузии св неподвижный слой бесконечной толщин. Такое предположение соответствует очень малым промежуткам времени контакта
Тогда, согласно пенетрационной модели коэффициент массоотдачи в пленке будет определяться соотношением
β
= 1,13
.
(51)
Кишиневский, аналогично Хигби, предложил модель диффузионного пограничного слоя (ДПС), в которой также принял время контакта постоянным, но в отличие от Хигби и других исследователей, предположил, что перенос массы целевого компонента происходит не только по молекулярному механизму, т.е. механизму молекулярной диффузии, но и турбулентной диффузии. Позднее пенетрационные модели легли в основу более совершенной группы моделей – модели обновления поверхности.
Работа с литературой: [5] – c. 171–182, 204–208; [2] – c. 50–53.