научная статья по теме РАСПРОСТРАНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В МНОГОФРАКЦИОННЫХ ГАЗОВЗВЕСЯХ Физика

Текст научной статьи на тему «РАСПРОСТРАНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В МНОГОФРАКЦИОННЫХ ГАЗОВЗВЕСЯХ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 5, с. 752-757

УДК 532.529:534.2

РАСПРОСТРАНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В МНОГОФРАКЦИОННЫХ ГАЗОВЗВЕСЯХ © 2015 г. Д. А. Губайдуллин, Е. А. Терегулова, Д. Д. Губайдуллина

ФГБУНИнститут механики и машиностроения Казанского научного центра РАН Казанский (Приволжский) федеральный университет E-mail: gubajdullin@mail.knc.ru Поступила в редакцию 01.04.2014 г.

Изучено распространение акустических волн в смесях газа с фракциями частиц разных материалов и размеров. Представлена математическая модель, получены дисперсионное соотношение, равновесная и замороженная скорости звука, низко- и высокочастотные асимптотики линейного коэффициента затухания, рассчитаны дисперсионные кривые. Проанализировано влияние размеров частиц и параметров дисперсной фазы для многофракционной газовзвеси с частицами льда, алюминия и песка на диссипацию и дисперсию звуковых волн. Проведено сравнение с экспериментом.

DOI: 10.7868/S0040364415050130

ВВЕДЕНИЕ

Исследование акустики и волновой динамики многофазных сред представляет значительный интерес в связи с широким распространением таких сред в природе и использованием их на практике. Основные модели волновой динамики дисперсных сред и ряд результатов в этой области представлены в [1]. Работа [2] посвящена проблемам изучения двухфазных течений с твердыми частицами, каплями и пузырями. В [3] рассмотрены вопросы образования областей повышенной концентрации дисперсной фазы в многофазных потоках. В монографии [4] дан краткий обзор результатов по исследованию акустических возмущений в монодисперсных газовзвесях без фазовых превращений. Влияние полидисперсного состава газовзвеси на распространение монохроматических возмущений в однокомпонентных смесях газа с частицами или пара с каплями выполнен в [5]. В [6] исследованы особенности распространения монохроматических волн в двухкомпонентных полидисперсных смесях газа с паром и каплями жидкости. Распространение сферических и цилиндрических волн малой амплитуды в полидисперсных туманах с фазовыми превращениями рассмотрено в [7]. Получена общая дисперсионная зависимость волнового числа от частоты колебаний и теплофизических свойств фаз. В [8] изучен аномальный эффект немонотонной зависимости диссипации слабых гармонических и импульсных возмущений от массовой концентрации капель в монодисперсных аэрозолях с тепломассообменом. Достаточно полное изложение линейной теории распространения плоских возмущений

в моно- и полидисперсных двухфазных смесях газа с паром и каплями жидкости дано в [9].

В [10] изучено распространение акустических волн различной геометрии в двухфракционных газовзвесях с частицами разных материалов и размеров без учета фазовых превращений. Особенности распространения плоских, цилиндрических и сферических волн малой амплитуды в па-рогазокапельных смесях с твердыми частицами проанализированы в [11—13].

В настоящей работе изучается распространение плоских, цилиндрических и сферических волн малой амплитуды в многофракционных смесях газа с произвольным количеством твердых частиц разных размеров и веществ с существенно различными теплофизическими свойствами.

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ

Аналогично работе [9] в системе координат, относительно которой невозмущенная смесь покоится, линеаризованные уравнения неразрывности и сохранения импульсов фаз имеют вид

dpi dt

+ p10

dv 1 dr

)V1

r

= 0,

M dt

-Pj>

dv) dr

■eVj

= 0, j = 2,3, ...,N,

M + M + у „0 jfj = 0,

dt dr ^ 11 j=2

N

P 1С"

dVj dt

= „0 jfj,

Р10 = а„р°о, р, = а, = 4

N

а10 + X аЛ = Ь

1=2

Здесь и далее переменные с индексом 1 относятся к несущей фазе, с индексом у = 2, 3, ..., N — к частицам дисперсной фазы радиусом а у (у = 2, 3, ...,N); индекс 0 соответствует начальному невозмущенному состоянию; штрихи вверху используются для обозначения возмущенных параметров; р — приведенная плотность; р° — истинная плотность; V — скорость; а — объемное содержание; р — давление; / — суммарная сила, действующая на индивидуальную частицу дисперсной фазы; п0у — число частицу-й фазы в единице объема. При значениях параметра 0 = 0 вышеприведенные уравнения описывают плоские волны в декартовой системе координат, при 8 = 1 — цилиндрические волны в цилиндрической системе координат, 0 = 2 — сферические волны в сферической системе координат.

При XN а у ^ Р° ^ Р° основными силами,

действующими на индивидуальную частицу дисперсной фазы, являются силы Стокса и Бассэ /ъ, определяемые выражениями

t

. я 1 = 6па7Ц1(у1 - V}), /Ъу = ву | — (V; - Vу)

B , =

= 6a2y"l

, fj = Lj + ÍBp

di[ _ opi ST

Pió — - a10 — 2n00jqVLj, j=y

du) _ p jó — ~ ~n0 fljb,

Qm + Qjx = 0.

Здесь i1 — удельная энтальпия несущей среды, Uj — внутренняя энергия j-го типа частиц, qi2j- — интенсивность теплообмена несущей фазы с поверхностью j-частицы, q^ — интенсивность теплообмена внутренней части j-частицы с поверхностью раздела фаз.

Тепловые потоки извне q12j- и изнутри qj-го включения к его поверхности задаются соотношениями

dpi

N

= 2п»у^и^(Т1 - Гц), Шу = 2ау рТ Д1, = 2пауХуПиу(т; - у Шу = 2»у РТ/Ху .

Здесь Т1 — температура несущей фазы, Ту — температура в приповерхностном 2-слое частицы у-го типа, Ту — температура твердых частицу'-го типа, Ки1у- и р1у- — безразмерный (число Нуссельта) и размерный коэффициенты теплообмена несущей фазы с границей разделау-го типа частиц, Киу- и

рТ — безразмерный (число Нуссельта) и размерный коэффициенты теплообмена у-го типа частиц с границей раздела, X — коэффициент теплопроводности.

Вид числа Нуссельта определяется решением сферически-симметричной задачи о тепло- и массообмене сферической частицы с окружающим газом [7]:

Nuij =

2aj

Nuj =-

(Ti -Уа,

dTi дГ

(t - Tj)

dr

J r =a, \

/ r =a

где ц1 — коэффициент динамической вязкости несущей среды.

Аналогично линеаризованные уравнения притока тепла к газовой фазе, твердым частицам и поверхности твердых частиц записываются следующим образом:

где Т1, Ту — среднемассовые температуры в ячейке

радиусом ау!^а", ау — объемное содержание включений у-типа в дисперсной смеси.

Предполагая, что газ является калорически совершенным газом, и учитывая, что в уравнения неразрывности входят возмущения приведенных плотностей, уравнения состояния несущей фазы можно записать в следующем линеаризованном виде:

pi = pi + p0т;, i[ = CpiTi, Yiaio To

cpi = const.

Уравнения состояния дисперсной фазы имеют вид

Cj = const.

Р°/ = 0 К' = сТ,

Здесь С1 — скорость звука в несущей фазе, у1 — показатель адиабаты несущей фазы, Су — теплоемкость у-й фазы, ср1 — теплоемкость несущей фазы при постоянном давлении.

Таким образом, линеаризованная система уравнений возмущенного движения многофракционной газовзвеси с твердыми частицами разных материалов и размеров в системе координат, относительно которой невозмущенная среда покоится, записывается в виде

М дг

+ Р10

дп +

дг г

V

= 0,

дРу

17+ Р»

д!1 дг

= 0,

N

д^1 др1 V

рю дд7+дг + ^

0

;=2

бпау^у^ - V') +

- V;■)

й Т

Рус

дv

дг

■ = п

оу

дт

У

(

6па - V■■) +

= о,

(1)

+ 6а

! / о Г д

л/п^1р1 ] дт

дт

N

(v1 - V')

й т

77-

РюСр1 дТ- = а10 § - X 2гсиоуаАКи1у(7Т - Ту,

У=2

дТ '

РУ0СУ = -2пп0уаухушу(ту - T¿■), ^шут; - ту + ХуКиу(т; - ту) = 0,

Р1

У 1а10

р1 + Т0 7'.

70

К* — К + /К*

ср =

ю

а = 2п

К*

Система уравнений (1) замкнута и может быть использована для исследования распространения акустических возмущений в полидисперсных смесях газа с твердыми частицами разных тепло-физических свойств и размеров в плоском, сферическом и цилиндрических случаях.

ДИСПЕРСИОННОЕ СООТНОШЕНИЕ И АСИМПТОТИКИ ЛИНЕЙНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ

В системе уравнений (1) вводим потенциалы скоростей фаз (у' =^-1 и будем исследовать ре-

дг

шения полученной системы уравнений в виде прогрессивных волн для возмущений

П' = Л^, (2)

где

у = ехр[/(К*г — ю?)] — для плоских возмущений,

у = И(^)(К*.г) ехр (-/юг) — для цилиндрических возмущений,

у = 1ехр[[((*г - юг)] — для сферических воз-г

мущений,

р К К

Здесь Лц — амплитуда колебаний возмущений параметров, К* — комплексное волновое число, I — мнимая единица, Ср — фазовая скорость, К** линейный коэффициент затухания, а — декремент затухания на длине волны, Н(0\г) — функция Ханкеля, являющаяся комбинацией функций Бесселя первого и второго родов нулевого поряд-

ка(#01)(г) = /0® +/ад).

Подставляя потенциалы скоростей и решения вида (2) в систему уравнений (1), получаем следующую систему линейных алгебраических уравнений:

-/юАр! - Р10К*Аф1 = 0, -/юЛу - р у0К*Л^у = 0,

( N \ N

Vт; • л , /к* л V т л п

X гт - /ю Лу1 +—ЛР1- X т* ■ = 0

ЧУ=2

Р10

У=2

/ю--

ЛУУ т* Лу1 = 0,

( N

1

— Г* =2 ТТ1У

X- /ю

\У=2

N

1Т1

о

р10ср1

ЛР1- I;

*ЛТ у = 0,

У=2

т*

тТу

- /Ю

1

Лту т* Лтъу — 0, тту

1р1

г* ' тТ1у

'р*

Т1у

тс

1т ъу

¥ Лту — 0,

с 2

с1

У1аю

рю

Лт1 - Лр1 - 0,

(3)

*

1 - / .л/2

(Ютщу)

1/2

о 2

2 РуОу 9 !

тц1у —

у2 Р1 ау

* _ 1 «1 тиу

тТ1у — "

3 ау 1 + гц

= 3т

V

[Згу - (3 - ^у], г^Ьг.- - г,)

г1у = ^(ЮTЯJУ)V2, гу = 1-2г(ютv)V2,

ту

т

Р1

N

= X

у=2

к, - Х1 К1 - о ,

Р1ср1

иу к/

V

к

к --у

ку -Р0су ■

Из условия существования нетривиального решения у системы линейных алгебраических уравнений (3) получено следующее дисперсионное соотношение:

ю

= V (ю) Б (ю),

(4)

где

N

V И = 1 + Хг

т у

- - гюх* у

У=2 ^

—% _ %

ТТу -

тс т*

ср1

Б (ш) = 1 + (У1 -1)-

N

У

у=2

Ср1 1 - ¡ШТТ*

N

1+Т

1

у=2

ср1 1 - тъ

Ту

Выражения для равновесной Се и замороженной С скоростей звука в многофракционной газовзвеси могут быть получены из дисперсионного соотношения (4) при предельных переходах ю —> 0 и ю —> да соответственно и имеют следующий вид:

С = С1 [у е/т1У1]1/2, С/ = Си

тс у

т

1 - У^

N с

1 = 1 + У ^ У е = -¿ТГ^

у=2

1 - Т

У1 - ср1

Низкочастотная асимптотика линейного коэффициента затухания К**, справедливая для частот юх^ <§ 1, запишется как

К о

( ч (та + а2а,) 2

(ю) _ I- ю ,

2С1 ут1а0

а

1+(- ^ 1 = 'г—;1 [«1 -п. ,

N

11 =1 + у mj,

2- У mУTvУ, Ъ = У у=2

N ( ^

т,сп,-

у=2 СР1

П1 = У

у =2

ТХ1уС2у тус2уТХ2у

3т°Ср1

15с

р1

у=2

N N

_ у— у

у=2 Ср1 ~~2Ът'Ср1

N N N

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком