AP09259248 «Возникновение концентрационной гравитационной конвекции при многокомпонентной диффузии в устойчиво — стратифицированных средах»

В процессе разработки проекта будут впервые получены следующие ожидаемые результаты:

1. Будет проведен анализ на устойчивость механического равновесия и разработка вычислительных алгоритмов, позволяющих определять оптимальные термобарические и концентрационные условия кинетических режимов смешения в многокомпонентных смесях, в которых происходит смена диффузионных режимов на конвективные; 2. Будет определение спектр теплофизических и геометрических параметров, вызывающих возникновение надкритических течений в изотермических многокомпонентных газовых смесях;

3. Будет проведено исследование влияния диффузионных механизмов на гидродинамику смешивающихся ммногокомпонентных систем, претерпевающих кинетический переход в конвективную фазу при массопереносе в цилиндрическом и плоском каналах;

4. Будет проведено исследование генерации начальной фазы надкритического течения в пульсационном режиме при различных давлениях и исходных составах многокомпонентных смесей;

5. Будут изучены поведения конвективного структурного формирования, находящегося между двумя параллельными твердыми поверхностями в среде отличающейся плотности, с учетом движения линии контакта по твердой поверхности.

Проведен анализ на устойчивость механического равновесия и разработаны вычислительные алгоритмы, позволяющие определять оптимальные термобарические и концентрационные условия кинетических режимов смешения в многокомпонентных смесях, в которых происходит смена диффузионных режимов на конвективные. Показано, что в тройных газовых смесях вследствие разной диффузионной скорости компонентов возникают условия для реализации конвекции, искажающей ожидаемый при изотермической диффузии парциальный массоперенос. Установлено, что особенность организации концентрационных полей заключается в том, что они формируются при условии уменьшения плотности смеси с высотой. В рамках теории устойчивости рассмотрено решение системы уравнений гидродинамики для изотермической тройной смеси.  Для плоского вертикального диффузионного канала получено граничное соотношение, позволяющее для конкретных p – V – T условий прогнозировать переход из диффузионного состояния в конвективное. Определены критические числа Рэлея для четных и нечетных решений, а также получены характерные значения для скорости конвективного смешения. Показано, что в условиях развитой конвекции изменение интенсивности переноса компонентов в зависимости от давления связано с модой возмущений, определяющей различные виды конвективных течений.

Ведется работа по разработке модели кинетического перехода «диффузия – конвекция». Для вертикального цилиндрического канала будут определены критические числа Рэлея.

Проведено определение спектра теплофизических и геометрических параметров, вызывающих возникновение надкритических течений в изотермических многокомпонентных газовых смесях. Физическая интерпретация по возникновению конвективной неустойчивости и последующего развития гидродинамических возмущений детально описаны в литературе. Однако использование формализма тепловой задачи Рэлея для описания изотермического многокомпонентного смешения при условиях начальной устойчивой стратификации смеси требует учитывать влияние уже нескольких парциальных градиентов концентраций.  Важность такой корректировки была показана в работах исследовательской группы, в которых было установлено, что в тройных системах с различными молекулярными весами M_i и различными коэффициентами диффузии D_ij имеют место затухающие и нарастающие конвективные возмущения. Последние могут являться причиной возникновения структурированных течений при многокомпонентной диффузии. Однако такой подход определяет только границу смены режимов «диффузия – конвекция» в области заданных теплофизических и геометрических параметров. Процесс возникновения структурированных конвективных течений и их последующая эволюция на границе смены режимов «диффузия – конвекция» может быть описан численным образом. В результате был разработан алгоритм решения возмущенных уравнений диффузии и конвекции, который в вертикальном канале различных геометрий позволил определить спектр теплофизических и геометрических параметров, вызывающих возникновение надкритических течений в изотермических многокомпонентных газовых смесях.

2. Для тройных систем, где коэффициенты диффузии существенным образом отличаются друг от друга, численным образом получены изоконцентрационные распределения в вертикальных каналах. Для тройных систем H₂O + CH₂O₂ – Ar, He + Ar – N₂, He + R12 – Ar, H₂ + CO₂ – N₂, CH₃OH + H₂O – Ar, где коэффициенты диффузии значительно отличаются, численным образом на основе схемы расщепления по физическим параметрам, получены изоконцентрационные распределения компонентов при различных временах смешения. Определение конвективной неустойчивости может быть связано с существенным искривлением изоконцентрационных распределений, которые отсутствуют при диффузии. Степень искривленности концентрационных распределений зависит от содержания компонента с наибольшим молекулярным весом в системе. При определенных составах искривление исчезает и в системе реализуется диффузия. Аналогичная ситуация проявляется и для системы с заданным исходным составом и различными давлениями. Существует определенное значение давления, при котором наступает существенное искривление изолиний, показывающее, что в системе формируются условия для возникновения надкритических течений.

3. Экспериментально исследованы барические зависимости концентраций компонентов в нескольких смесях при различных соотношениях между коэффициентами диффузии. Для тройных смесей H₂ + CO₂ – N₂, He + R12 – Ar, где коэффициенты диффузии существенным образом отличаются друг от друга, экспериментальным образом была изучена барическая скорость смешения компонентов. Было установлено, что при определенных давлениях наблюдается кинетический переход «диффузия – конвекция». Дальнейший рост давления вызывает появление надкритических течений, осуществляющих преимущественный перенос компонентов с наибольшим молекулярным весом. Для системы N₂ + CO₂ – Ar, где коэффициенты диффузии близки друг к другу, при всех давлениях опыта наблюдалась диффузия. Смена режимов «диффузия – конвекция» в этой системе не наблюдалась.

4. Оценено влияние вязкости смеси и геометрических характеристик каналов. Проведено сравнение опытных данных с расчетными. Для исследования влияния вязкости и геометрии диффузионного канала на возникновение конвективных течений была проведена серия опытов со следующими трехкомпонентными системами 0,440 He (1) + 0,560 CO₂ (2) – N₂ (3) и 0,788 CO₂ (1) + 0,212 C₃H₈ – N₂O (3). При этом первая смесь изучалась в цилиндрическом диффузионном канале, где в качестве характерного влияющего параметра рассматривается диаметр канала равный 4·10^-3 м, а вторая в плоском вертикальном канале, где толщина канала, равная 6·10^-3 м, является характерным влияющим параметром. При этом увеличение характерного влияющего параметра на два порядка приводит к уменьшению значения давления, при котором происходит переход от диффузионного процесса к неустойчивому. В первой системе переход от диффузионного процесса к конвективному происходит при давлении 0,58 МПа, а для второй системы при давлении 0,39 МПа, что обусловлено также влиянием вязкости диффундирующих компонентов. В системе 0,440 He (1) + 0,560 CO₂ (2) – N₂ (3) вязкости диффундирующих компонентов практически одинаковые, а в системе 0,788 CO₂ (1) + 0,212 C₃H₈ (2) – N₂O (3) первый и третий компоненты имеют близкие значения вязкостей, а коэффициент вязкости второго компонента (пропана) примерно в 2 раза меньше. Такое различие в значениях вязкостей при практически одинаковых коэффициентах диффузии приводят к тому, что в системе 0,788 CO₂ (1) + 0,212 C₃H₈ – N₂O (3) неустойчивость проявляется при значительно меньших значениях давления. Таким образом, проведенные исследования показали, что на интенсивность неустойчивого процесса оказывает влияние не только форма диффузионного канала, но и вязкость диффундирующих компонентов. Для рассматриваемых систем были построены карты устойчивости в координатах (Ra₂, p), где Ra₂ – число Рэлея самого тяжелого компонента смеси. Полученные численные данные находятся в хорошем согласии результатами, проведенных экспериментов.