nghiên cứu quá trình lan truyền của sóng áp suất trong hỗn hợp chất lỏng hai pha

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TRẦN QUỐC NGHỊ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN CỦA SÓNG ÁP SUẤT TRONG HỖN HỢP CHẤT LỎNG HAI PHA Chuyên ngành: Toán ứng dụng Mã số: 60.46.36 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC TOÁN HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn Thái Nguyên – 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Công trình được hoàn thành tại trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn Phản biện 1:……………………………………………. Phản biện 2:……………………………………………. Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn họp tại: Trường đại học khoa học vào hồi …. giờ …. ngày ….tháng …. năm 2011 Có thể tìm hiểu luận văn tại trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên và thư viện trường Đại học Khoa học, khoa Toán học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 1. Nguyễn Văn Tuấn, Trần Quốc Nghị, Nguyễn Thị Bích Ngọc “ Một số kết quả nghiên cứu về hiện tượng khuếch đại cường độ của sóng xung kích trong hỗn hợp chất lỏng hai pha” Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Thái Nguyên 2011 (đã được nhận đăng) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 LỜI CẢM ƠN Luận văn này được hoàn thành tại Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn. Tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy về sự tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian tác giả làm luận văn. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy, các cô, Ban giám hiệu nhà trường, Ban chấp hành Đoàn, các đồng nghiệp cùng công tác trong cơ quan đã luôn tạo điều kiện thuận lợi nhất giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và làm luận văn cao học. Xin chân thành cảm ơn anh chị em học viên cao học và bạn bè đồng nghiệp gần xa đã trao đổi, động viên và khích lệ tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu và làm luận văn. Luận văn sẽ không hoàn thành được nếu không có sự thông cảm, giúp đỡ của những người thân trong gia đình tác giả. Đây là món quà tinh thần, tác giả xin kính tặng gia đình thân yêu của mình với tấm lòng biết ơn chân thành và sâu sắc. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 MỘT SỐ KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT B Hằng số khí. ,jn Cường độ chuyển pha, số lượng bọt. 0 ,, i p p p Áp suất hỗn hợp, áp suất ban đầu, áp suất của pha thứ i. e p Cường độ sóng xung kích ban đầu. ,Ra Bán kính cảu bọt. 00 ,Ra Bán kính ban đầu của bọt. 0 ,, i T T T Nhiệt độ hỗn hợp, nhiệt độ ban đầu, nhiệt độ pha i. t Thời gian. , i vv Vận tốc của hỗn hợp, vận tốc pha i. 1 W Vận tốc hướng kính của chất lỏng chuyển động xung quanh bọt. 1 W  Vận tốc màng bọt. ,  Đại lượng không thứ nguyên của mật độ, nhiệt độ. ,WP Đại lượng không thứ nguyên của áp suất và vận tốc màng bọt. i  Phần thể tích của pha i trong hỗn hợp. 0i  Phần thể tích ban đầu của pha i. ,   Hệ số sức căng bề mặt, tọa độ Lagrange. , i  Mật độ của pha i, mật độ của hỗn hợp. 0 0 , i  Mật độ thực của pha i, mật độ ban đầu của hỗn hợp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 MỘT SỐ KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2 MỤC LỤC 3 LỜI MỞ ĐẦU 4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 8 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 Hệ phương trình thủy - nhiệt động lực học cho môi trường hai pha lỏng hơi 12 2.1.1 Xây dựng mô hình 12 2.1.2. Hệ phương trình cơ sở. 12 2.1.3. Điều kiện đầu và điều kiện biên 24 2.2. Phương pháp giải số 24 CHƯƠNG 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN VÀ KHUẾCH ĐẠI CỦA SÓNG XUNG KÍCH TRONG CÁC HỖN HỢP CHẤT LỎNG CHỨA BỌT HƠI 29 3.1 Một số kết quả nghiên cứu quá trình lan truyền của sóng xung kích trong các hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi 29 3.1.1 Quá trình lan truyền của sóng xung kích trong hỗn hợp nước chứa bọt hơi 29 3.1.2 Quá trình lan truyền của sóng xung kích trong môi trường dầu. 33 3.1.3 Quá trình lan truyền của sóng xung kích trong môi trường freon21 37 3.1.4 Quá trình lan truyền của sóng xung kích trong môi trường nitơ lỏng chứa bọt hơi 40 3.2. Một số kết quả về hiện tượng khuếch đại cường độ của sóng xung kích trong hỗn hợp chất lỏng hai 44 KẾT LUẬN 56 KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 62 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 LỜI MỞ ĐẦU Hỗn hợp chất lỏng chứa bọt khí là một môi trường hai pha rất phức tạp. Môi trường này thường gặp nhiều trong các quá trình tự nhiên, trong công nghệ hoá học, đồng thời chúng cũng được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp năng lượng như: khai thác, vận chuyển và chế biến dầu khí Tuy nhiên, chỉ từ 1950 trở lại đây, việc nghiên cứu về dòng hai pha lỏng- khí mới được tiến hành một cách có hệ thống cả về lý thuyết và thực nghiệm. Trong các hỗn hợp này thì quá trình trao đổi nhiệt - chất là một trong những hiện tượng quan trọng không thể tách rời, nhất là trong trường hợp tồn tại sóng xung kích lan truyền trong hỗn hợp. Môi trường hỗn hợp hai pha có tính chất đặc biệt ở chỗ trong hỗn hợp do có sự kết hợp các tính chất phi tuyến vật lý mạnh, sự tán sắc và quá trình hao tán năng lượng nên biểu đồ mô tả các sóng có nhiều dạng. Chính vì vậy, khi thay đổi các điều kiện thuỷ động lực sẽ dẫn đến sự thay đổi cấu trúc về sóng, các tính chất vật lý nhiệt, và các quá trình tương tác giữa các pha. Tính chất đặc trưng của hỗn hợp chất lỏng chứa bọt khí trong các quá trình động lực học là sự xuất hiện biến dạng cục bộ của hỗn hợp khi thay đổi thể tích môi trường do sự thay đổi thể tích của bọt. Khả năng mức độ co nén của bọt phụ thuộc mạnh vào sự trao đổi nhiệt và khối lượng giữa pha lỏng và pha khí. Sự xuất hiện đồng thời những năng lượng do biến dạng này sẽ dẫn tới sóng có cấu trúc khác nhau. Ngoài ra, sự truyền sóng áp suất trong những môi trường như vậy cũng dẫn đến khả năng hoá hơi và ngưng tụ của pha khí, từ đó dẫn đến sự thay đổi chủ yếu cấu trúc của môi trường. Do hỗn hợp chất lỏng chứa bọt khí có tính chất đặc biệt như trên hơn nữa đây là hỗn hợp xuất hiện rất nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp năng lượng, công nghệ hoá học và các quá trình tự nhiên cho nên, sự hiểu biết về Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 các hiện tượng có thể xuất hiện ví dụ như hiện tượng khuếch đại cường độ của sóng trong hỗn hợp khi sóng áp suất lan truyền qua chất lỏng chứa bọt và nhất là khi xảy ra quá trình tương tác giữa các sóng là rất cần thiết. Căn cứ vào tình hình phát triển của các nghiên cứu ở trong và ngoài nước về các quá trình lan truyền của sóng xung kích trong hỗn hợp các chất lỏng- bọt , mục đích chính của đề tài này bao gồm các vấn đề sau: - Nghiên cứu lý thuyết về các quá trình lan truyền của sóng trong hỗn hợp hai pha bao gồm pha phân tán là các phần tử dạng bọt hơi cùng với pha chính là chất lỏng Newton được chứa trong ống nằm ngang. Giả sử tại một đầu ống tồn tại một sóng xung kích tác động và lan truyền vào trong hỗn hợp, chúng lan truyền đến khi tắt dần. Thành lập hệ phương trình vi phân và đạo hàm riêng thuỷ nhiệt động lực học mô tả các quá trình này. - Trên cơ sở nghiên cứu, ứng dụng thuật toán và sử dụng chương trình tính giải hệ phương trình thuỷ nhiệt động lực học của hỗn hợp hai pha sau khi kết hợp các điều kiện biên phù hợp với mô hình khảo sát, để nghiên cứu quá trình lan truyền của sóng xung kích trong một số hỗn hợp các chất lỏng - bọt. Chương trình đã được kiểm chứng bằng cách so sánh kết quả của chương trình với kết quả thực nghiệm đã được công bố của các tác giả khác về sóng tới. - Nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện đầu và điều kiện biên đặc trưng cho tác dụng động lực và cấu trúc của hỗn hợp lên quá trình lan truyền của sóng áp suất trong hỗn hợp chất lỏng hai pha. Đồng thời nghiên cứu hiện tượng khuếch đại cường độ của sóng xung kích khi sóng này tác động vào hỗn hợp, đây là một hiện tượng bất thường xảy ra đối với hỗn hợp chất lỏng chứa bọt. - Đưa ra nhận xét và kết luận những vấn đề nghiên cứu. Đồng thời có thể đề xuất ý kiến góp phần giảm thiểu các hiện tượng bất thường để đảm bảo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 an toàn trong hệ thống truyền dẫn thủy lực. Nội dung của luận văn được chia làm ba chương: Chương I: Tổng quan Trình bày tổng quan về sự phát triển và xu hướng phát triển trong lĩnh vực truyền sóng xung kích trong hỗn hợp lỏng – hơi, các hiện tượng xảy ra khi sóng xung kích lan truyền trong hỗn hợp. Chương II: Cơ sở lý thuyết Dựa trên cơ sở hệ phương trình thủy nhiệt - động lực học của hỗn hợp lỏng hơi mô tả hiện tượng vật lí, xây dựng thuật toán và chương trình tính phù hợp để nghiên cứu phân tích và đánh giá quá trình lan truyền của sóng xung kích trong hỗn hợp. Chương III: Trình bày một số kết quả nghiên cứu về quá trình lan truyền của sóng xung kích trong các hỗn hợp chất lỏng và hiện tượng bất thường xảy ra trong quá trình này, đó là hiện tượng khuếch đại của sóng xung kích. Từ kết quả của chương trình tính có được, nghiên cứu, đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố: cường độ sóng xung kích ban đầu, nồng độ thể tích pha hơi lên quá trình lan truyền của sóng xung kích trong hỗn hợp. So sánh các quá trình lan truyền của sóng xung kích trong một số hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi nhằm chỉ ra được sự ảnh hưởng của các tính chất vật lý nhiệt của nó lên các quá trình lan truyền của sóng xung kích trong hỗn hợp. Để thực hiện được các nội dung trên, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu quá trình lan truyền của sóng áp suất trong hỗn hợp chất lỏng hai pha” Bản luận văn này được thực hiện tại trường Đại học Khoa học và xã hội - Đại học Thái Nguyên và hoàn thành từ ý tưởng nghiên cứu, sự tận tình hướng dẫn và giúp đỡ về mặt khoa học của PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn, tôi [...]... QUẢ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN VÀ KHUẾCH ĐẠI CỦA SÓNG XUNG KÍCH TRONG CÁC HỖN HỢP CHẤT LỎNG CHỨA BỌT HƠI Trong phần này luận văn sẽ trình bày một số kết quả nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các tham số như: phần thể tích của pha hơi trong hỗn hợp, bán kính của các bọt hơi và áp suất của sóng tới trong hỗn hợp lên quá trình lan truyền của sóng trong một số hỗn hợp lỏng – hơi Đồng thời nghiên cứu. .. cứu hiện tượng khuếch đại cường độ của sóng xung kích khi nó tác động và lan truyền trong hỗn hợp Môi trường được sử dụng để nghiên cứu đó là: Hỗn hợp của nước, dầu, nitơ lỏng, và freon 21 chứa bọt hơi 3.1 Một số kết quả nghiên cứu quá trình lan truyền của sóng xung kích trong các hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi 3.1.1 Quá trình lan truyền của sóng xung kích trong hỗn hợp nước chứa bọt hơi Môi trường nước... kích tác động và lan truyền trong hỗn hợp p Nghiên cứu, phân tích và đánh giá quá trình lan truyền của sóng xung kích trong hỗn hợp chứa trong ống ở trên Đồng thời nghiên cứu hiện tượng bất thường xảy ra trong giai đoạn đầu khi sóng tác động vào hỗn hợp – đó là hiện tượng khuếch đại cường độ của sóng xung kích 2.1.2 Hệ phương trình cơ sở Hệ phương trình cơ học của hỗn hợp chất lỏng hai pha được xây dựng... chảy hai pha lỏng – bọt, có sóng xung kích lan truyền trong đó, tác giả đã cố gắng tìm hiểu và trình bày một số nghiên cứu về lý thuyết cũng như về thực nghiệm của quá trình lan truyền của sóng xung kích trong hỗn hợp chất lỏng hai pha, phân tích các hiện tượng, các hiệu ứng bất thường có thể xảy ra trong hỗn hợp và một số nguyên nhân cơ bản gây ra các hiệu ứng đó Qua kết quả nghiên cứu của các công trình. .. học sóng của môi trường hai pha lỏng - khí hoặc hơi có xét đến khả năng ngưng tụ của hơi hay khí hoà tan của pha khí [14] Trong trường hợp không đi sâu nghiên cứu về cấu trúc của sóng xung kích, mà chỉ xem sự truyền sóng xung kích như sự truyền của mặt gián đoạn Tác giả đã trình bày một số kết quả nghiên cứu về sự tăng áp suất của sóng xung kích trong hỗn hợp chất lỏng chứa bọt khí hoặc hơi khi sóng. .. tuyến của hỗn hợp đó là hiện tượng khuếch đại hay tắt dần của sóng xung kích khi nó lan truyền trong hỗn hợp Về sự khuếch đại của sóng xung kích lan truyền trong chất lỏng chứa bọt khí đã được đề cập đến trong [8],[9] Trong các công trình này tác giả đã trình bày hệ phương trình nhiệt thuỷ động lực học, giải hệ phương trình bằng phương pháp số và đưa ra một số kết quả về sự ảnh hưởng của quá trình. .. tích của bọt Ngoài ra, sự lan truyền sóng áp suất trong những môi trường như vậy dẫn đến sự hoà tan hay ngưng tụ của pha khí (hoặc hơi) và như vậy dẫn đến sự thay đổi cơ bản về bản chất và cấu trúc vật lí của hỗn hợp Do sự thay đổi tính chất vật lí của hỗn hợp khi có sóng xung kích lan truyền qua, nên trong hỗn hợp chất lỏng chứa bọt khí (hoặc hơi) thường xảy ra những hiện tượng thể hiện tính chất. .. được tầm quan trọng của môi trường lỏng - bọt bởi nó được ứng dụng rất nhiều trong thực tế, nên bản thân tôi đã cố gắng nghiên cứu, tìm hiểu và đã đưa ra được một số kết quả nghiên cứu về quá trình lan truyền của sóng xung kích trong hỗn hợp lỏng bọt dẫn đến các hiện tượng bất thường có thể xảy ra trong hỗn hợp trong đó có hiện tượng khuếch đại cường độ của sóng xung kích Đã nghiên cứu, phân tích và...  3730 K dưới áp suất thường p0  0.1MPa Các kết quả biểu diễn trong các hình dưới đây là các profil áp suất biểu diễn quá trình tiến triển của sóng xung kích khi lan truyền trong ống Quá trình này phụ thuộc vào điều kiện ban đầu, điều kiện biên, cường độ sóng tác động và các tham số vật lí của hỗn hợp Trên các biểu đồ minh hoạ thì trục thẳng đứng là các giá trị của áp suất trong hỗn hợp (p/po) còn... áp suất tác dụng tại đầu ống thì cường độ sóng xung kích càng lớn thì tốc độ lan truyền càng lớn, sóng lan truyền càng được xa Cấu trúc sóng đơn điệu hay dao động phụ thuộc vào cường độ áp suất tác động ban đầu Để đánh giá ảnh hưởng của bán kính bọt ban đầu lên quá trình lan truyền của sóng xung kích ta xét các hình 4, 5 dưới đây Kết quả biểu diễn trên hình 4, 5 là các profil áp suất của sóng lan truyền . QUẢ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN VÀ KHUẾCH ĐẠI CỦA SÓNG XUNG KÍCH TRONG CÁC HỖN HỢP CHẤT LỎNG CHỨA BỌT HƠI 29 3.1 Một số kết quả nghiên cứu quá trình lan truyền của sóng xung kích trong. kích trong các hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi 29 3.1.1 Quá trình lan truyền của sóng xung kích trong hỗn hợp nước chứa bọt hơi 29 3.1.2 Quá trình lan truyền của sóng xung kích trong môi trường. nhiệt của nó lên các quá trình lan truyền của sóng xung kích trong hỗn hợp. Để thực hiện được các nội dung trên, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài Nghiên cứu quá trình lan truyền của sóng áp