Автореферат (Кинетика перехода к стационарному росту или испарению микрокапли в смесях паров), страница 3

В S3.3 третьей гла­вы полученная система уравнений упрощена применительно к случаю малыхконцентраций паров в парогазовой смеси. В заключительном S3.4 в приближе­нии идеального раствора получены явные уравнения для нахождения стаци­онарных концентраций в многокомпонентной капле и показано, что решениеэтих уравнений единственно.Четвёртая глава посвящена численному решению системы уравненийна состав (11), размер (12) и температуру (16) многокомпонентной капли дляслучая малых концентраций смеси конденсирующихся паров в газовой среде.Для каждой смеси рассматриваются далее три физических модели.

В первой,самой простой, предполагаем раствор в капле идеальным, а процесс конден­сации или испарения считаем изотермическим (кривые на Рис. 1 - 2). Вовторой модели – конденсация или испарение происходят неизотермически, нораствор в капле по-прежнему идеальный (кривые на Рис. 1 - 4). И, наконец,в третьей модели конденсация или испарение протекают неизотермически, иучитывается неидеальность раствора в капле (кривые на Рис. 2 - 4), котораяописывается с помощью коэффициентов активности ({}, ). Первый рас­dR /dtсR0a1bсРис. 1. Скорость роста бинарной капли этанола и воды как функция временисматриваемый случай – это конденсация паров этанола ( = 1) и воды ( = 2).В качестве начальных условий были выбраны 0 = 5 · 10−4 см, 0 = 293 К,1 = 2 = 1, 1 = 1, 2 = −1. Исследование показывает, что даже конденса­ция одного этанола ведет к значительному увеличению температуры капли,но одновременная конденсация этанола и воды ведет к повышению темпера­13туры капли больше чем на 20 К.

В случае неизотермической конденсациикапля, изначально состоящая из чистого этанола, имеет на некотором про­межутке времени отрицательные значения для скорости роста радиуса (см.Рис. 1), то есть размер капли уменьшается, капля испаряется. Это вызва­но тем, что изменение температуры капли приводит к усилению испаренияэтанола, при этом более крупные молекулы этанола заменяются меньшимипо размеру молекулами воды. Также можно заметить, что тепловой эффекттормозит конденсацию, и скорость роста капли, состоящей изначально изэтанола (сплошные линии на Рис. 1), ниже скорости роста капли, изначальносостоящей из воды (пунктирные линии на Рис. 1), как в изотермическом, таки в неизотермическом случае.dR /dtсRca1bсbc0Рис. 2. Скорость роста бинарной капли серной кислоты и воды как функция времениВ качестве второго рассматриваемого случая была выбрана конденсацияпаров серной кислоты ( = 1) и воды ( = 2) в условиях земной атмосферыс начальными условиями 0 = 10−3 см, 0 = 293 K, 1 = 10, 2 = −0.3.Здесь продемонстрировано немонотонное поведение радиуса капли со време­нем (пунктирные линии на Рис.

2) – капля, изначально состоящая из воды,начинает испаряться, поток же серной кислоты идет на каплю, так как еёпар является пересыщенным по отношению к раствору в капле, но, так какпоток серной кислоты мал, он не может компенсировать отток воды из капли.Так же, как и в предыдущем случае, наблюдается замедление роста из-за теп­лового эффекта.

При этом(︀ значения)︀ стационарных скоростей роста размера2 / sкапли чрезвычайно малы=4 · 10−5 c−1 (,), 4.6 · 10−4 c−1 ().201401bазотная кислотас100серная кислотасРис. 3. Молярные концентрации азотной и серной кислоты в капле серной кислоты, азот­ной кислоты и воды как функции времениТретий рассматриваемый случай – конденсация паров серной кислоты( = 1), азотной кислоты ( = 2) и воды ( = 3) в условиях земной атмосферы.Начальные условия 0 = 10−3 см, 0 = 253 K, 1 = 10, 2 = 1, 3 = −0.3.Численно продемонстрировано, что капля, изначально содержащая тройнуюсмесь H2 SO4 , HNO3 и H2 O, эволюционирует так, что в стационарном режимесодержит практически уже только бинарную смесь HNO3 и H2 O (см. Рис.

3).Тем не менее, серная кислота обеспечивает сильное временное увеличениетемпературы капли на переходной стадии (сплошные линии на Рис. 4).10с01b0сРис. 4. Относительная температура капли серной кислоты, азотной кислоты и воды какфункция времениТакже отмечено, что эволюция радиуса, температуры и состава происхо­дит похожим образом в моделях с изотермической конденсацией и идеальным15раствором в капле, неизотермической конденсацией и неидеальным раство­ром, отличаясь лишь во временных масштабах и стационарных значениях.В Заключении диссертации сформулированы основные результаты ивыводы.Список публикаций по теме диссертации из перечняВАК[A1] Д.С.

Мартюкова, А.Е. Кучма, А.К. Щекин. Динамика изменения раз­мера и состава бинарной капли в атмосфере двух конденсирующихсяпаров и пассивного газа при произвольных начальных условиях // Кол­лоидный журнал T. 75. №5, с. 625–632, 2013.[A2] A.E. Kuchma, D.S. Martyukova, A.A. Lezova, A.K. Shchekin. Size, temperatureand composition of a spherical droplet as a function of time at the transientstage of nonisothermal binary condensation or evaporation // Colloids andSurfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects Vol.

432. p. 147-156,2013.[A3] А.Е. Кучма, А.К. Щекин, А.А. Лезова, Д.С. Мартюкова. Об эволюциимногокомпонентной капли в процессе неизотермического диффузионно­го роста или испарения // Коллоидный журнал T. 76. №5, с. 626–634,2014.Список публикаций в других изданиях[A4] A.E. Kuchma, D.S. Martyukova, A.A. Lezova, A.K. Shchekin. Simultaneouschanging size, composition and temperature of droplet at nonisothermalbinary condensation or evaporation // Abstracts of «1st Int. Workshop onWetting and evaporation: droplets of pure and complex fluids», Marseilles,France. p. 120-121, 2013.Цитируемая литература1.

F. Lemoine, G. Castanet. Temperature and chemical composition of dropletsby optical measurement techniques: a state-of-the-art review // Experimentsin Fluids. 2013. Vol.54:7. P.1.162. N.A. Fuchs. Evaporation and Droplet Growth in Gaseous Media // London:Pergamon. 1959.3.

J.H. Seinfeld, S.N. Pandis. Atmospheric Chemistry and Physics: From AirPollution to Climate Change // J. Wiley. New York. 2006.4. M. Kulmala, T. Vesala, P.E. Wagner. An Analytical Expression For the Rate ofBinary Condensational Particle Growth // Proc. Royal Soc. London A. 1993.Vol.441. P.589.5.

A.E. Kuchma, A.K. Shchekin, F.M. Kuni. Simultaneous establishing ofstationary growth rate and composition of supercritical droplets at isothermalbinary condensation in the diffusion-controlled regime // Physica A. 2011. Vol.390. P. 3308.6. S.S. Sazhin, A.E. Elwardany, P.A.

Krutitskii, V. Depredurand, G. Castanet,F. Lemoine, E.M. Sazhina, M.R. Heikal. ulti-component droplet heating andevaporation: numerical simulation versus experimental data // Int. J. Therm.Sci. 2011. Vol.50. P.1164.7. S.P. Fisenko, W.N. Wang, I.W. Lenggoro, K. Okuyama. Evaporative coolingof micron-sized droplets in a low-pressure aerosol reactor // Chem. Eng. Sci.2006. Vol.61.

P.6029..