Nghiên cứu quá trình lan truyền, tương tác giữa các song trong một số hỗn hợp chất lỏng hai pha

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN Danh sách kí hiệu chữ viết tắt MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 HỆ PHƯƠNG TRÌNH THUỶ- 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 sở 13 2.2 PHƯƠNG PHÁP GIẢI SỐ VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN 26 2.2.1 Phương pháp giải số 26 2.2.2 Chương trình tính toán 29 CHƯƠNG III MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN VÀ TƯƠNG TÁC SÓNG XUNG KÍCH TRONG CÁC HỖN HỢP CHẤT LỎNG CHỨA BỌT HƠI 31 3.1 QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN, TƯƠNG TÁC GIỮA SÓNG NGẮN VÀ SÓNG NGẮN TRONG MỘT SỐ HỖN HỢP LỎNG - HƠI 31 3.1.1 Hỗn hợp nước chứa bọt 31 3.1.2 Hỗn hợp freon21 chứa bọt 36 3.1.3 Hỗn hợp nito lỏng chứa bọt 38 3.2 QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN, TƯƠNG TÁC GIỮA SÓNG DÀI VÀ SÓNG NGẮN TRONG HỖN HỢP NƯỚC SÔI CHỨA BỌT HƠI 42 KẾT LUẬN 47 KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 1Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn Thạc sĩ em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu, phòng Đào tạo, Khoa Toán – Tin, thầy cô giáo trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên thầy công tác Viện Toán học Việt Nam nhiệt tình truyền đạt cho em kiến thức quý báu suốt trình học tập hoàn thành luận văn Thạc sĩ Đặc biệt, em xin gửi lời biết ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn, người trực tiếp bảo, hướng dẫn động viên em suốt trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Xin gửi lời cảm ơn đến BGH, bạn đồng nghiệp trường PTDT Nội trú cấp II-III Bắc Quang, Hà Giang quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành khóa học Xin cảm ơn anh chị em học viên lớp cao học K4A đoàn kết, đùm bọc giúp đỡ toàn khóa học Cuối xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến người thân gia đình tôi, người động viên, khuyến khích giúp đỡ suốt trình học tập Thành đạt quà mà muốn dành tặng gia đình thân yêu Thái Nguyên, tháng 11 năm 2012 Học viên Nguyễn Đức Chung 2Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Danh sách kí hiệu chữ viết tắt B c, c p , cv - Hằng số khí Nhiệt dung riêng, nhiệt dung riêng áp suất vận tốc không đổi Cường độ chuyển pha Nhiệt hoá chất lỏng Số lượng bọt áp suất hỗn hợp, áp suất ban đầu áp suất pha i Cường độ sóng xung kích ban đầu Dòng nhiệt Bán kính bọt Bán kính ban đầu bọt nhiệt độ hỗn hợp, nhiệt độ ban đầu nhiệt độ pha i Thời gian Vận tốc hỗn hợp, vận tốc pha thứ i Vận tốc hướng kính chất lỏng chuyển động xung quanh bọt Vận tốc màng bọt j l n p,p0 pi pe q R,a R0, a0 T,T0 Ti t v, vi w1 - w1a - , , P,W - i -  i0 - Phần thể tích ban đầu pha i  - Hệ số sức căng bề mặt Toạ độ Lagrange Hệ số hiệu chỉnh hỗn hợp i ,  - Hệ số nhớt động lực chất lỏng mật độ pha i, mật độ hỗn hợp  i0 ,  - mật độ thực pha i, mật độ ban đầu hỗn hợp  - b1 , b2 , b3 , b4 -  1 ,  1 Đại lượng không thứ nguyên mật độ, nhiệt độ, áp suất vận tốc màng bọt Phần thể tích pha i hỗn hợp tỷ số nhiệt dung riêng áp suất không đổi thể tích không đổi cường độ xung áp suất 3Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Chất lỏng không đồng hay hỗn hợp chất lỏng nhiều pha môi trường phức tạp Môi trường thường gặp nhiều trình tự nhiên, công nghệ hoá học, vật lý… ứng dụng nhiều nghành công nghiệp lượng : khai thác , vận chuyển chế biến dầu khí…Tuy nhiên, từ 1950 trở lại đây, việc nghiên cứu dòng hai pha khí lỏng tiến hành cách có hệ thống lý thuyết thực nghiệm Trong hỗn hợp , trình trao đổi nhiệt chất tượng quan trọng tách rời, trường hợp tồn sóng xung kích lan truyền hỗn hợp So với môi trường chất lỏng đồng pha môi trường hỗn hợp hai pha khác xa tính chất vật lý, thể chỗ hỗn hợp có kết hợp tính chất phi tuyến vật lý mạnh, tán sắc trình hao tán lượng nên biểu đồ mô tả sóng có nhiều dạng Chính vậy, thay đổi điều kiện thuỷ động lực dẫn đến thay đổi cấu trúc sóng, tính chất vật lý nhiệt, trình tương tác pha Tính chất đặc trưng hỗn hợp chất lỏng chứa bọt trình động lực học xuất biến dạng cục hỗn hợp thay đổi thể tích môi trường thay đổi thể tích bọt Khả mức độ co nén bọt phụ thuộc mạnh vào trao đổi nhiệt khối lượng pha lỏng pha khí Sự xuất đồng thời lượng biến dạng dẫn tới sóng có cấu trúc khác Ngoài ra, truyền sóng áp suất môi trường dẫn đến khả hoá ngưng tụ pha khí, từ dẫn đến thay đổi chủ yếu cấu trúc môi trường Do hỗn hợp chất lỏng chứa bọt có tính chất đặc biệt trên, hỗn hợp xuất nhiều lĩnh vực công nghiệp 4Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn lượng, công nghệ hoá học trình tự nhiên cho nên, hiểu biết tượng xuất sóng áp suất lan truyền qua chất lỏng chứa bọt xảy trình tương tác sóng cần thiết Căn vào tình hình phát triển nghiên cứu trình lan truyền sóng xung kích hỗn hợp chất lỏng- bọt nước mục đích đề tài bao gồm vấn đề sau: - Nghiên cứu lý thuyết trình sóng hỗn hợp hai pha bao gồm pha phân tán phần tử dạng bọt với pha chất lỏng Newton chứa ống nằm ngang Giả sử hai đầu ống tồn hai sóng xung kích lan truyền vào hỗn hợp, chúng tương tác lan truyền ngược Thành lập hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả trình - Nghiên cứu, phân tích đánh giá quy luật phụ thuộc chung sóng xung kích hỗn hợp chất lỏng chứa bọt trình lan truyền trình tương tác sóng sở hệ phương trình thủy - nhiệt động lực học Sau biến đổi dạng phù hợp với việc sử dụng phương pháp số, sử dụng thuật toán chương trình tính phù hợp với mô hình khảo sát Chương trình kiểm chứng cách so sánh kết chương trình với kết thực nghiệm công bố tác giả khác sóng tới - Sử dụng chương trình tính nói để nghiên cứu phân tích phụ thuộc cường độ sóng áp suất vào: điều kiện đầu, điều kiện biên, cường độ sóng xung kích ban đầu, thể tích pha tính chất vật lý nhiệt hỗn hợp, trình lan truyền tương tác sóng xung kích số hỗn hợp chất lỏng chứa bọt 5Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - Đưa nhận xét kết luận vấn đề nghiên cứu, đồng thời đề xuất ý kiến góp phần giảm thiểu tượng bất thường xảy để đảm bảo an toàn hệ thống truyền dẫn thủy lực Nội dung luận văn chia làm ba chương : Chương I: Tổng quan Trình bày tổng quan phát triển xu hướng phát triển lĩnh vực truyền sóng xung kích hỗn hợp lỏng – hơi, tượng xảy sóng lan truyền hỗn hợp Chương II: Cơ sở lý thuyết Dựa sở hệ phương trình thủy - nhiệt động lực học hỗn hợp lỏng mô tả hiệ tượng vật lý, sử dụng thuật toán chương trình tính phù hợp để nghiên cứu, phân tích đánh giá trình lan truyền tương tác sóng sóng xung kích hỗn hợp Chương III: Một số kết nghiên cứu trình lan truyền, tương tác sóng xung kích hỗn hợp chất lỏng chứa bọt Trình bày số kết nghiên cứu trình la truyền tương tác sóng ngắn sóng ngắn, sóng dài sóng ngắn Từ kết nhận nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng yếu tố cường độ ban đầu sóng, nồng độ thể tích pha lên trình lan truyền tương tác sóng hỗn hợp So sánh trình tương tác sóng số hỗn hợp chất lỏng chứa bọt nhằm ảnh hưởng điều kiện đầu, điều kiện biên tính chất vật lý nhiệt hỗn hợp lên trình lan truyền tương tác sóng hỗn hợp 6Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Để thự nội dung trên, tiến hành thực đề tài “Nghiên cứu trình lan truyền, tương tác song số hỗn hợp chất lỏng hai pha ” Bản luận văn thực trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên hoàn thành từ ý tưởng nghiên cứu, hướng dẫn tận tình giúp đỡ mặt khoa học PGS TS Nguyễn Văn Tuấn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy Tôi xin chân thành cảm ơn Trường PTDT Nội trú cấp II-III Bắc Quang, Hà Giang tạo điều kiện thuận lợi suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn tốt nghiệp 7Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƯƠNG I TỔNG QUAN Như nêu phần mở đầu, hỗn hợp hai pha chất lỏng chứa bọt khí có tính chất đặc biệt, kết hợp tính chất phi tuyến vật lý mạnh, phân tán hao tán lượng, nên biểu đồ mô tả sóng có nhiều dạng Chính thay đổi điều kiện thuỷ động lực, dẫn đến thay đổi cấu trúc sóng trình tuơng tác pha Cho nên hiểu biết tượng bất thường xuất sóng áp suất lan truyền qua chất lỏng chứa bọt cần thiết để giải loạt toán thực tế để phân tích chế độ làm việc độ thiết bị lượng, phân tích tình hư hỏng đảm bảo an toàn khai thác nhà máy điện nguyên tử, phân tích tượng xâm thực máy tuốc bin, hệ thống truyền dẫn thuỷ lực, để ứng dụng công nghiệp khai thác, vận chuyển chế biến dầu khí, công nghệ hoá học, Dẫn đến cấp thiết việc nghiên cứu thuỷ động lực học trình sóng môi trường chất lỏng có bọt Môi trường hỗn hợp chất lỏng với bọt khí hoà tan ngưng tụ (hay khí không hoà tan không ngưng tụ) thú vị chỗ chúng cấu thành từ ba yếu tố : tính phi tuyến, tán sắc trình hao tán lượng [1, 21] Bức tranh sóng có nhiều dạng dễ dàng thay đổi cách thay đổi điều kiện thuỷ động lực, cấu trúc tính chất vật lý nhiệt hỗn hợp với trình tương tác pha Điều đặc biệt hỗn hợp chất lỏng chứa bọt trình thuỷ động lực xuất lượng biến dạng cục hỗn hợp thay đổi thể tích môi trường, thay đổi chủ yếu thay đổi thể tích bọt hỗn hợp tính chất dễ co lại hay giãn nở khí (hoặc hơi) bọt [3],[6] Sự xuất đồng thời lượng biến dạng đàn hồi dẫn đến 8Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn sóng có cấu trúc dao động thay đổi thể tích bọt Ngoài ra, lan truyền sóng áp suất môi trường dẫn đến hoà tan hay ngưng tụ pha khí (hoặc hơi) dẫn đến thay đổi chất cấu trúc vật lí hỗn hợp Do thay đổi tính chất vật lí hỗn hợp có sóng xung kích lan truyền qua, nên hỗn hợp chất lỏng chứa bọt khí (hoặc hơi) thường xảy tượng thể tính chất phi tuyến hỗn hợp tượng khuếch đại hay tắt dần sóng xung kích lan truyền hỗn hợp Về khuếch đại sóng xung kích lan truyền chất lỏng chứa bọt khí đề cập đến [10], [11] Trong công trình tác giả trình bày hệ phương trình nhiệt thuỷ động lực học, giải hệ phương trình phương pháp số đưa số kết ảnh hưởng trình trao đổi nhiệt – khối lượng lên động lực học sóng môi trường hai pha lỏng khí có xét đến khả ngưng tụ hay khí hoà tan pha khí [16] Trong trường hợp không sâu nghiên cứu cấu trúc sóng xung kích, mà xem truyền sóng xung kích truyền mặt gián đoạn Tác giả trình bày số kết nghiên cứu tăng áp suất sóng xung kích hỗn hợp chất lỏng chứa bọt khí sóng tác động bị phản xạ tường cứng, tượng tắt dần xem [12] Sóng xung kích hỗn hợp chứa bọt khí hoà tan hay ngưng tụ, lý thuyết nghiên cứu công trình [13, 18, 19], thực nghiệm nghiên cứu công trình [12, 15, 17] Nghiên cứu lý thuyết di chuyển bọt co lại hay giãn nở bọt dòng chảy hai pha xem [14] Môi trường lỏng - bọt sử dụng công nghiệp lượng nguyên tử Phân tích chế độ làm việc độ của thiết bị lượng, phân tích tình hư hỏng đảm bảo an toàn khai thác nhà máy điện nguyên tử đề cập đến 9Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn công trình [4] Nhận biết tính chất phi tuyến mạnh môi trường hai pha lỏng - bọt, mà xuất nhiều tượng bất thường có sóng xung kích lan truyền qua tượng tăng áp suất giảm đột ngột áp suất hỗn hợp [5, 19] Hoặc tượng bất thường xảy ra, tượng khuếch đại cường độ sóng áp suất tác động vào hỗn hợp lỏng Về vấn đề đẫ trình bày [9], [9] tác giả rõ ràng rằng, giai đoạn đầu sóng xung kích tác động vào hỗn hợp cường độ sóng tăng mạnh, nhiên khuếch đại cong phụ thuộc vào hỗn hợp mà tác động Trong tài liệu [8], tác giả đề cập tới trình trao đổi nhiệt khối lượng trình tương tác sóng Tại cường độ sóng tăng mạnh cường độ sóng áp suất phụ thuộc vào tính chất vật lý nhiệt hỗn hợp Đây vấn đề quan tâm Do môi trường lại ứng dụng rộng rãi nhiều ngành thuộc lĩnh vực công nghiệp khác Chính vậy, môi trường tập trung nhiều nhà khoa học nước giới quan tâm Với tổng quan tóm tắt trình bày thực trạng vấn đề mô hình thủy - nhiệt mô tả dòng chảy hai pha lỏng – bọt, có sóng xung kích lan truyền đó, tác giả cố gắng tìm hiểu trình bày số nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm trình lan truyền sóng xung kích hỗn hợp chất lỏng hai pha, phân tích tượng, hiệu ứng bất thường xảy hỗn hợp số nguyên nhân gây hiệu ứng Qua kết nghiên cứu công trình cho hiểu biết đắn tượng xuất hiện, để giải hàng loạt toán thực tế phân tích chế độ làm việc trạm lượng, phân tích điều kiện hư hỏng đảm bảo an toàn khai thác nhà máy điện nguyên tử, khai thác vận chuyển chế biến dầu khí, công nghệ hoá học trình tự nhiên… 10 10Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... chương trình tính phù hợp để nghiên cứu, phân tích đánh giá trình lan truyền tương tác sóng sóng xung kích hỗn hợp Chương III: Một số kết nghiên cứu trình lan truyền, tương tác sóng xung kích hỗn hợp. .. tích pha lên trình lan truyền tương tác sóng hỗn hợp So sánh trình tương tác sóng số hỗn hợp chất lỏng chứa bọt nhằm ảnh hưởng điều kiện đầu, điều kiện biên tính chất vật lý nhiệt hỗn hợp lên trình. .. kích lan truyền hỗn hợp So với môi trường chất lỏng đồng pha môi trường hỗn hợp hai pha khác xa tính chất vật lý, thể chỗ hỗn hợp có kết hợp tính chất phi tuyến vật lý mạnh, tán sắc trình hao tán