научная статья по теме МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ МНОГОФАЗНОЙ ГЕТЕРОГЕННОЙ СРЕДЫ ПО ПРОНИЦАЕМОМУ КАНАЛУ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ МНОГОФАЗНОЙ ГЕТЕРОГЕННОЙ СРЕДЫ ПО ПРОНИЦАЕМОМУ КАНАЛУ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2007, том 41, № 5, с. 514-523

УДК 66.01:532

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ МНОГОФАЗНОЙ ГЕТЕРОГЕННОЙ СРЕДЫ ПО ПРОНИЦАЕМОМУ КАНАЛУ

© 2007 г. Р. И. Ибятов, Л. П. Холпанов*, Ф. Г. Ахмадиев, И. Г. Бекбулатов

Казанский государственный архитектурно-строительный университет *Институт проблем химической физики РАН, Москва Я .Ibjatov@ksaba.ru Поступила в редакцию 14.02.2006 г.

Предложена математическая модель движения гетерогенной среды со сложной реологией по криволинейному проницаемому каналу с учетом изменения концентрации взвешенных частиц в потоке и образования слоя осадка на стенках. Получено уравнение для расчетов изменения средней концентрации дисперсной фазы и толщины слоев осадка. Предложен алгоритм этих численных расчетов. Представлены также результаты численных расчетов профиля скорости, давления, концентрации и слоя осадка с учетом начального участка канала.

Течение жидких сред в различных каналах и трубах с проницаемыми стенками широко используют в процессах химической технологии, где функционируют, например, патронные и динамические фильтры, фильтры-сгустители, трубчатые мембранные элементы. Исследованию гидродинамики таких течений посвящено значительное число теоретических и экспериментальных работ. Литературный обзор [1] показывает, что большинство этих работ связаны с изучением течений ньютоновских и неньютоновских жидкостей по каналам и трубам с проницаемыми стенками. Течение сред со сложной реологией в таких каналах и трубах, с учетом наличия взвешенных частиц, исследовано недостаточно полно.

При течении жидких сред по проницаемым каналам направление и (или) скорость фильтрационного движения на разных стенках могут быть различными. Такие особенности течения будут вызывать деформацию эпюра продольной скорости основного потока, т.е. течение в канале будет несимметричным. Такое же положение наблюдается при течении жидких сред между двумя соос-ными цилиндрами. Симметрия относительно оси цилиндров сохранится, однако поток между двумя стенками будет несимметричным. В связи с этим методы расчета течений гетерогенных сред по проницаемым каналам и трубам отличаются. В работе [1], на основе метода поверхностей равных расходов [2], была построена математическая модель осесимметричного течения гетерогенной среды со сложной реологией по проницаемой трубе постоянного сечения с учетом изменения концентрации взвешенных частиц в потоке и образования слоя осадка на стенке трубы. В данной работе эти результаты развиваются

для течения гетерогенных сред по проницаемым каналам.

Рассмотрим ламинарное и установившееся течения гетерогенной среды с твердой фазой по проницаемым каналам и трубам с кольцевым сечением. Реологическое уравнение состояния неоднородной среды описывает степенная модель Оствальда де Виля. Течение рассматривается в ортогональной системе координат, у которой одна из координатных поверхностей х2 = const совпадает со стенкой канала, а координатные поверхности х1 = = const составляют семейство нормалей к ней. Геометрия задачи представлена на рис. 1. Предположим, что соотношения | V*|/U* ~ h/1 ~ £ - малая

величина, где V * и U * - средние величины скоростей поперечной и продольной соответственно. Тогда, после проведения анализа значимости слагаемых, уравнения сохранения массы и движения

Рис. 1. Схема течения.

дисперсной смеси для случая многофазного течения можно записать в виде [3]:

Э(и2иър,и,) Э(н 1Н3р,У!)

дх1 дх2

р (U:дUi + Z:дU:

р1 ^Н1 д х 1 Н2 дх.

=

Н1 х 1

= 0, / = 1,0; (1)

и V1 дн 1

2 Н1 Н2 х 2 0

н дх +т 1- X р 1 1 + р1р1;

1 = 2

р1

и2г дН 1 н1 н2 х2

«1 дР v

н2дХ2 у р 12'

1 = 2

р1?2;

(2)

(3)

иди . V1дU1 . и,У,дН 1

рг\Н ^ х. н2д х2

0

_ адР + у р +

нхдх1 у 1

1 = 1 1 * 1

н1 н2 х2 ргр1, , = 2,0;

_ (4)

- р

и2

н1

а, дР

н1 н2 х2

^д Р , V Т7 , „ "С

Н2 д!2+ У Р12 + р,р2

= 2, 0,

1=1 1

(5)

где

т1 =

Н2 Н 2 Н зд х2

X

X

НН3 т

Н1 д (и

Н2дх2V Н1

п -1

Н1 д (и

Н 2д х2 V Н1

д( Н2 Н 3р и) д( Н1 H3рV)

иди

х 1

VдU

р\Н 1 д х1 Н2д х2

х 2

UV д Н1 Н1 Н2 х2

дР = о

х 2

= о,

= -± дР + т

Нхдх1 11

(6)

(7)

(8)

где коэффициент консистенции т и средняя плотность среды р являются функциями, зависящими от концентрации взвешенных частиц.

Для решения данной задачи используем метод поверхностей равных расходов [2]. Введем в поле течения поверхности равных расходов (линии или

трубки тока) ук, где к = 1, N, форма которых определяется геометрией сечения канала. Поверхности равных расходов у1 (хх) и yN (хх) совпадают с поверхностями, ограничивающими область течения (рис. 1). Сведем задачу о развитии течения среды к численному определению положений поверхностей равных расходов и скоростей на них.

В отсутствие массообменных процессов изменения расхода сплошной фазы Фк между введенными поверхностями определяются следующим образом:

Ук

фк(х1) = Н1 £1 1

а12ин2 с

2

к = 2, N, (9)

Ук-1

где 2 = Н3(х3к - х3н) - ширина области течения.

Интегральное условие сохранения сплошной фазы для произвольного сечения запишем в виде:

УN

1 а1 и2Н2Сх2 + 1 (а1 IV 2Н1 )УСх1

У1

+

1<«11V 2Н1 )унСх1 =

Рассмотрим случай, когда влияние массовых сил на скорость движения составляющих фаз считается пренебрежительно малым. Тогда можно использовать квазигомогенную модель, что позволяет принять и = и 1 ® иг, V = V1 ® V, (, = 270), и попарно сложить соответствующие уравнения. В результате система уравнений (1)-(5) приобретает вид:

При раскрытии модуля скорости нужно учитывать направления фильтрации жидкости относительно оси х2. Аналогичным образом записывают балансовые соотношения для каждого слоя [ук -1, ук]. После их дифференцирования по х1 не трудно показать, что в отсутствие массообмена имеют место соотношения:

Ф2( х1) = -(а №Н1) у1,

Фк(х1) = 0, к = 3, N - 1,

ФN (х1) = -(а1 |^2Н1 )yN.

Уравнения для поверхностей равного расхода определим из (9). Для этого представим интеграл по одной из формул численного интегрирования и затем продифференцируем полученную разностную формулу по х1. Если использовать формулу трапеции, то уравнения для определения линии тока примут вид:

Ук -1

2Н 1Фк Ук - Ук -1САк , —

Сх1 Сх 1

Сх1'

к = 2, N;(10)

где Ак = (а1 и2Н2 )к - 1 + (а и2Н2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ том 41 < 5 2007

0

х

х

х

х

к

к

Уравнения движения (7) запишем на линиях тока. После выполнения соответствующих преобразований для вычисления скоростей на линиях ук получим следующие уравнения:

р UU k d Uк И1 dx1

_J_dPk _ p UkVкдИ, + Tk И1 dx1 ИjИ2 дx2 ь

(11)

к = 2, N - 1.

Слагаемое Г1 в правой части (11) содержит частные производные по поперечной координате. Для их вычисления сеточные решения представляют в виде разложения в ряд по полной системе базисных функций, удовлетворяющих граничным условиям [1, 2]. Граничные условия, а также систему базисных функций записывают после выбора геометрии канала.

Для разрешения системы уравнений (10) и (11) относительно ик, ук, Р' применяют процедуру прогонки [1]. С этой целью данную систему необходимо привести к виду:

d Uk dx1

Vk -1

dP

= U4- + h, к = 2, N -1;

dx1

(12)

dP

ak -г— + bk —— = c

dx 1 dx 1 dx 1

k

к = 2, N. (13)

мой среды с изменением средней концентрации по длине канала. При недостаточном касательном напряжении у стенки происходит фильтрование с образованием осадка. Причем такие разные режимы фильтрования могут быть на отдельных участках одного и того же канала [4]. Задачи течения неоднородной среды с образованием и без образования осадка ниже рассмотрены отдельно.

ФИЛЬТРОВАНИЕ СРЕДЫ БЕЗ ОБРАЗОВАНИЯ ОСАДКА

Построим уравнение изменения концентрации. Примем модель мгновенного перемешивания по толщине слоя и представим концентрацию твердых включений как функцию продольной координаты а2 = а2 (хх). Поскольку из-за фильтрации меняется расход сплошной фазы, для общего расхода среды можно записать:

*1

й (* 1) = й (х 1 н) + |(а! \Угн 1 )У1 dXl +

+

J(«1 |V|ZH 1) ydx1.

Выполнение процедуры прогонки с нахождением явных выражений прогоночных коэффициентов целесообразно выполнить после конкретизации геометрии канала. Отметим, что система (13) достаточна для определения производных ук и

перепада давления Р', поскольку положения поверхностей у1 (хх) и уы (хх) определяют из других соображений. При фильтровании среды без образования осадка они совпадают с поверхностями канала, а когда разделение происходит с образованием слоя загрязнения, их находят с помощью балансовых соотношений объема осадка. Так как система (13) состоит из N - 1 дифференциальных уравнений, одно уравнение освобождается для

определения градиента давления Р'.

В зависимости от режима фильтрования, в частности от величины касательного напряжения на стенке, для замыкания системы (12) и (13) нужны дополнительные уравнения и соответствующие граничные условия. В общем случае при фильтрации сплошной фазы через стенку дисперсные частицы задерживаются в рабочей зоне. В условиях высоких касательных напряжений на стенке, создаваемых течением суспензии, задержанные на поверхности частицы увлекаются потоком. В этом случае происходит фильтрование без образования осадка или сгущение разделяе-

Количество твердой фазы остается неизменным а2 (x1)Q(x1) = const. Продифференцировав два последних соотношения, найдем:

da _ (а11VZH1 )y] + (а1 |V|ZH1) dx1

= а2

>yN

yN

(14)

J

У1

UZH

22

Скорости оттока жидкости У|У1 и У|Удг определяют из одномерных уравнений фильтрации степенной жидкости, которые для каждой пористой стенки записывают отдельно:

дН1Нз утк _ Тп _ К„к дР„к = 0, Утк--

д *2 ' V ткН 2д *2 (15)

к = 1 и N.

Система уравнений (12)-(15) решается при следующих граничных и начальных условиях:

х2 = Ук ± dk: Ртк = Рв;

*2 = Ук: Ртк = Р, и = 0; (16)

Х1 = * 1 н : а2 = а2н, и = ин(*2),

где индекс к принимает значения 1 и N, которые указывают на разные стенки, внутренние поверхности которых совпадают с поверхностями рав-

x

1 н

x

x

1 н

ных расходов У1 и yN. Знаки ± уточняются после выбора геометрии канала и системы координат.

Рассмотрим несколько примеров течения суспензии с переменной концентрации по конкр

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