Автореферат (1149167)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования«Санкт–Петербургский государственный университет»На правах рукописиМартюкова Дарья СергеевнаКинетика перехода к стационарному росту илииспарению микрокапли в смесях паров01.04.02 – Теоретическая физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико–математических наукСанкт–Петербург – 2015Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт–Петербургский государственныйуниверситет»Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор, профессор с возложеннымиобязанностями заведующего кафедройстатистической физики Санкт-Петербургско­го государственного университетаЩёкин Александр КимовичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор, зав.

кафедройтеоретической физикиТверского государственного университетаСамсонов Владимир Михайлович,кандидат физико-математических наук,ведущий научный сотрудникСанкт-Петербургского Академического Уни­верситета РАНСибирёв Николай ВладимировичВедущая организация:Институт Проблем Машиноведения РАНЗащита диссертации состоится « 24 » сентября2015 г. в 16:30 на заседа­нии диссертационного совета Д 212.232.24 по защите докторских и кандидат­ских диссертаций, созданного на базе Санкт–Петербургского государствен­ного университета, по адресу: 199004, Санкт–Петербург, Средний пр., В.О.,д. 41/43, ауд. 304С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. ГорькогоСПбГУ и на сайтеhttp://spbu.ru/science/disserАвтореферат разослан «»2015 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,д.ф.-м.н.Аксёнова Елена Валентиновна3Общая характеристика работыАктуальность темы исследования. Рост и испарение свободнопод­вешенных капель – широко распространенное в природе и технике явление.Закономерности конденсации и испарения капель играют важную роль в фор­мировании дождевых облаков и аэрозолей в атмосфере Земли, динамике фа­зовых переходов и релаксационных процессов в различных коллоидных систе­мах.

Знание этих закономерностей требуется для решения многих фундамен­тальных и прикладных задач, связанных с описанием процессов в газовых ижидких дисперсных средах, при распаде пересыщенных твердых и жидкихрастворов. В данной работе мы не рассматриваем нуклеационное зарожде­ние капли и считаем, что изначально уже существует капля с некоторымиизвестными нам начальными составом, температурой и размером. Конденса­ция или испарение даже однокомпонентных капель существенно различаетсядля различных начальных условий и зависит от физических свойств паровконденсирующихся компонентов в окружающей ее парогазовой атмосфере.Начальные условия задаются пересыщениями паров конденсирующихся ком­понентов, начальным составом капли, её радиусом и температурой.Хотя описание стадий роста или испарения капли является фундамен­тальной проблемой физики фазовых переходов первого рода, в решение кото­рой внесли вклад многие известные физики, начиная от Максвелла, Срезнев­ского, Стефана, построение соответствующей теории является, по-прежнему,актуальной задачей физической кинетики.

Более строгая формулировка тео­рии роста или испарения многокомпонентной капли с контролируемыми со­ставом и размером является востребованной ещё и потому, что в последниегоды возросли возможности эксперимента и контроля над состоянием капель,особенно с помощью оптических методов [1]. Основная трудность при постро­ении такой теории связана с необходимостью рассмотрения взаимосвязанныхнестационарных и неизотермических потоков на каплю и из капли, меняющихее текущее состояние.Степень разработанности темы исследования.

Одной из первыхмонографий, систематизировавшей экспериментальную и теоретическую ин­формацию, имевшуюся на тот момент по росту и испарению капель, былакнига Н.А.Фукса [2]. В [2] рассмотрение велось только для капель чистыхжидкостей, при этом обсуждалась и возможность нестационарности пото­ков при неподвижности поверхности капли. Актуальная на сегодняшний денькартина состояния дел в исследовании конденсационного роста и испаренияатмосферных аэрозолей представлена в монографии [3]. В [4] было показано,что при изотермическом диффузионном или свободно-молекулярном режи­4ме роста или испарения капли происходит постепенный выход на стационар­ные значения концентраций компонентов в капле, которые не зависят от ееразмера и определяются коэффициентами диффузии, давлениями насыщен­ных паров и пересыщениями паров на удалении от капли.

Аналитическое ре­шение нестационарных уравнений изотермического выхода на стационарныезначения концентрации двухкомпонентного идеального раствора в капле какв свободно-молекулярном, так и диффузионном режимах ее роста было рас­смотрено в [5]. В [6] были развиты эффективные численные методы решениядвумерных и трехмерных уравнений для температуры и состава многокомпо­нентных мелкодисперсных капель топлива при их испарении при разбрызги­вании в дизельных двигателях.Исследования роста или испарения малых капель имеют и интересныеприложения - пиролиз многокомпонентных микрокапель путем испаритель­ного охлаждения является перспективным направлением для получения на­ночастиц с контролируемым размером, морфологией и составом [7].

Свобод­ноподвешенные (левитирующие) испаряющиеся или растущие капли могутиспользоваться в качестве инструментов-детекторов для тонкого и высоко­точного анализа окружающей среды, соответственно, детальное изучение за­кономерностей их эволюции открывает возможность необходимой калибров­ки подобных инструментов.Тем не менее, ранее задачи нестационарного неизотермического ростаили испарения бинарных или многокомпонентных капель не были в доста­точной мере исследованы аналитически, не были выведены уравнения длястрогого учёта нелинейных и перекрестных диффузионных и тепловых эф­фектов, не было исследовано влияние теплоты конденсации и неидеальностираствора в капле на протекание переходной стадии роста или испарения кап­ли.Целью данной диссертационной работы является построение и анализрешений полной системы взаимосвязанных уравнений, определяющих эволю­цию размера, температуры и состава свободноподвешенной в парогазовой сре­де сферической многокомпонентной капли во времени при учете различныхрежимов роста капли, перекрестных эффектов диффузии, стефановского те­чения и неидеальности раствора внутри капли.Научная новизна.

Все основные результаты диссертации полученывпервые, что подтверждается их публикацией в ведущих отечественных имеждународных журналах, и включают следующее:(1) Уравнения для нахождения радиуса капли, температуры и составакапли как функций времени при бинарной неизотермической конденсацииили испарении в диффузионном и свободно-молекулярном режимах. Выяв­5лена возможность существенно немонотонного роста капли при различныхначальных условиях — изначально растущая капля в дальнейшем переходитк устойчивому испарению и, наоборот, испаряющая капля начинает устойчи­во расти в стационарном режиме.(2) Для описания эволюции многокомпонентной капли, растущей или ис­паряющейся в диффузионном режиме при неизотермических условиях, выве­дена полная система замкнутых нелинейных взаимосвязанных уравнений нарадиус, состав, температуру капли. Выведены соотношения между локальны­ми плотностями молекулярных и тепловых потоков в диффузионном режиме,которые включают и взаимное влияние потоков друг на друга.

Найдены выра­жения для массовой и средней молекулярной скоростей течения парогазовойсмеси, вызванного поглощением или испарением молекул конденсирующихсякомпонентов.(3) Найдены численные решения нестационарных уравнений для соста­ва, размера и температуры двух- и трехкомпонентных капель ряда реальныхсистем.Теоретическая и практическая значимость. Результаты, получен­ные в диссертации, могут быть использованы при описании роста или испаре­ния многокомпонентных частиц новой фазы при фазовых переходах пар-жид­кость и жидкость-жидкость, различных процессов образования аэрозолей ватмосфере Земли, при разработке новых технологий, связанных с образова­нием микрокапель и микрочастиц заданного размера и состава.

Результатыработы могут быть применены для извлечения большей информации из экспе­риментальных исследований по росту или испарению микро- и нано- капель.Методология и методы исследования. В работе анализируются ирешаются дифференциальные уравнения, выведенные на общей основе ло­кальных и интегральных законов сохранения с использованием методов рав­новесной и неравновесной термодинамики и статистической физики. Для чис­ленного анализа конкретных систем используются различные физико-хими­ческие аппроксимации и модели.Достоверность результатов обеспечивается использованием апроби­рованных методов статистической физики. Результаты исследования, прове­денного в диссертации, опубликованы в ведущих рецензируемых журналах,докладывались на российских и международных конференциях.

Также рас­четы проверялись на самосогласованность, а в предельных случаях - на сов­падение с классическими и ранее полученными результатами других авторов.Основные положения, выносимые на защиту:(1) Исследование решений нестационарных уравнений для радиуса и со­става бинарной капли идеального раствора, растущей или испаряющейся в6диффузионном режиме при изотермической конденсации в атмосфере двухконденсирующихся паров и неконденсирующегося газа-носителя.(2) Получение и численное решение замкнутой системы уравнений длянахождения температуры, состава и размера бинарной капли идеального рас­твора, растущей или испаряющейся в диффузионном и свободно-молекуляр­ном режимах в квазистационарных условиях.(3) Вывод соотношений для стационарных значений температуры и ско­рости роста радиуса капли, а также для ее стационарного состава при произ­вольном числе компонентов в системе.(4) Вывод замкнутой системы взаимосвязанных нестационарных уравне­ний, описывающих эволюцию многокомпонентной свободноподвешенной сфе­рической капли неидеального раствора при неизотермической конденсацииили испарении в диффузионном режиме при произвольных начальных усло­виях и при учёте перекрестных диффузионных и тепловых эффектов, стефа­новского течения, подвижки поверхности капли и зависимости кинетическихкоэффициентов от состава парогазовой среды.(5) Результаты численного исследования влияния пересыщений и свойствконденсирующихся компонентов на эволюцию состава, размера и температу­ры капли для реальных бинарных и трехкомпонентной систем с неидеальнымраствором.

Анализ возникновения немонотонности изменения радиуса капликак функции времени при конденсации и испарении бинарной капли.Апробация результатов и публикации. Результаты и положенияработы докладывались и обсуждались на следующих научных конференцияхи школах:1. Международная конференция «1st Int. Workshop on Wetting and evaporation:droplets of pure and complex fluids» (Marseilles, France, 2013).2. Международная конференция «18th Research Workshop Nucleation Theoryand Applications» (Dubna, Russia, 2014).3.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации