Исследование процесса теплообмена при свободной конвекции в неоднородных средах Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.642

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА ПРИ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ В НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ

© Р.Н. Бахтизин,

член-корреспондент АН РБ, президент АН РБ, ул. Кирова, 15,

450008, г. Уфа, Российская Федерация, эл. почта: ramil_bahtizin@mail.ru

© А.В. Бакиев,

академик АН РБ,

академик-секретарь Отделения наук о Земле и природных ресурсов АН РБ ул. Кирова, 15,

450008, г. Уфа, Российская Федерация, эл. почта: neftigaz@anrb.ru

© Н.Н. Хазиев,

кандидат физико-математических наук

Представлены результаты экспериментальных исследований процесса тепломассообмена в неоднородной текучей среде при свободной конвекции. Процесс свободной конвекции широко распространен при технологических процессах в промышленности - в быту, в природе - атмосфере и гидросфере и имеет большое практическое значе-ние.

До настоящего времени при рассмотрении процесса тепломассообмена в текучей среде (газ, жидкость) считается, что среда до начала процесса тепломассообмена имеет одинаковую плотность, а свободная конвекция возникает при изменении плотности из-за изменения температуры в отдельных областях этой среды.

Однако любая среда может быть однородной по плотности только при определенных допущениях, например, в малых объемах. В действительности любая среда, где может возникать свободная конвекция, имеет неоднородность по плотности, которая приводит к стратификации среды по высоте области нахождения этой среды.

Нами проведены экспериментальные исследования свободной конвекции в неоднородных текучих средах в соответствии с необходимостью решения технологических процессов в таких условиях. При этом получены интересные результаты, обнаружено неизвестное явление образования многоконтурного слоистого движения текучей среды (газ, жидкость) при свободной конвекции.

Ключевые слова: свободная конвекция, текучая среда (жидкость, газ), неоднородность среды, градиент плотности, многоконтурные слои, тепломассообмен

© R.N. Bakhtizin1, A.V. Bakiev2, N.N. Khaziev

INVESTIGATION INTO THE PROCESS OF HEAT EXCHANGE UNDER FREE CONVECTION IN NON-UNIFORM MEDIA

1Academy of Sciences of the Republic оf

Bashkortostan,

15, ulitsa Kirova,

450008, Ufa, Russian Federation, e-mail: ramil_bahtizin@mail.ru

2Academy of Sciences of the Republic оf

Bashkortostan,

15, ulitsa Kirova,

450008, Ufa, Russian Federation, e-mail: neftigaz@anrb.ru

The paper presents the results of pilot investigations into the process of heat and mass exchange in non-uniform fluid medium under free convection. Free convection occurs widely during technological processes in industry and natural processes in the Earth's atmosphere and hydrosphere and is of great practical importance.

Considering the process of heat and mass exchange in fluid medium (gas, liquid), it is usually held that prior to the process the medium has uniform density, and free convection arises in response to changing density due to changes of temperature in some individual zones of this medium.

However, any medium can be uniform in density only at certain assumptions, for example, in small volumes. Actually, any medium where free convection can occur has density heterogeneities resulting in stratification of this medium with reference to the height of its occurrence.

We have conducted pilot research of free convection in non-uniform fluid media because of the need to solve technological problems applied to such conditions. In doing so, we have obtained interesting results revealing a previously unknown phenomenon of the formation of multiloop stratified motion of the fluid medium (gas, liquid) under free convection.

Key words: free convection, fluid medium (liquid, gas), heterogeneity of the medium, density gradient, multiloop strata, heat and mass exchange

/2

2014, том 19, № 4

Свободная конвекция является одним из распространенных видов теплообмена в жидкостях и газовой среде. Под свободной конвекцией понимают движение текучей среды, обусловленное разностью плотностей в различных точках, возникающее при неоднородной температуре в этих точках.

Теоретические и экспериментальные исследования теплообмена в этой области основаны на идеальных условиях, т.е. среда, где происходит свободная конвекция в исходном положении до начала процесса теплообмена, считается однородной по плотности. Однако на практике такое состояние не бывает. Относительно однородная среда может быть только в относительно малых объемах, где происходит свободная конвекция.

Характер циркуляции жидкости при свободной конвекции в ограниченном замкнутом пространстве приведен на рис. 1 [1].

Рис. 1. Характер естественной конвекции жидкости в ограниченном замкнутом

пространстве. По М.А. Михееву, И.М. Михеевой [1]

Считается, что если восходящие и нисходящие потоки протекают без взаимных помех в

замкнутом пространстве, движение в пограничных слоях происходит как вдоль вертикальной поверхности в неограниченном пространстве, т.е. на начальном участке возникает ламинарный пограничный слой, который далее превращается в турбулентный поток. В дальнейшем обсуждается, что происходит с потоком.

Показано, что в стесненных условиях в виде вертикальных и горизонтальных щелей возникают циркуляционные контуры.

В связи с необходимостью разработки технологических процессов хранения нефти и нефтепродуктов в резервуарах и емкостях больших размеров мы организовали исследования теплообмена при свободной конвекции в условиях таких емкостей.

При этом предположили, что при больших размерах высоты в любой текучей сре-де может проявиться влияние возможной начальной неоднородности среды по плотности.

Исходным положением предполагаемого при этом является учет влияния начальной неоднородности по плотности текучей среды при свободной конвекции.

Начальная неоднородность любой текучей среды является общераспространенным в природе, быту, промышленности, в целом в природе. Исключением является возможность не учитывать такую неоднородность из-за сравнительно малой величины ее применительно к разным случаям.

С учетом этого положения нами были организованы экспериментальные исследования в лабораторных и промышленных условиях.

Неоднородность по плотности в каждой среде создавали в виде разной концентрации раствора глицерина, раствора поваренной соли в воде по высоте емкости. В лабораторные емкости заливали раствор различной плотности слоями. В момент залива и после выдержки некоторого времени после залива всех слоев границы несколько размывались, образуя плавное изменение плотности на границах раздела слоев.

В газовой среде неоднородность по плотности создавали путем залива на дно экспериментальной емкости небольшого количе-

Б/

/2

2014, том 19, № 4

Р.Н. Бахтизин, А.В. Бакиев, Н.Н. Хазиев ./ШШШШШ^

ства легко испаряющегося бензина. Пары бензина в воздухе, находящегося в емкости, распространялись диффузией, создавая градиент плотности в паровоздушной среде емкости.

Эксперименты в лабораторных условиях проводились в емкостях различной формы — в виде вертикального и горизонтального цилиндра, прямоугольника различных размеров.

Во время экспериментов проводили необходимые измерения: геометрических размеров, плотности среды в различных точках, температуры источника тепла, текучей среды в различных точках, вели оптические наблюдения с фотофиксацией, визуализацию выполняли оптическим прибором ИАБ-451, подкрашиванием, добавлением свето-отра-жающих частиц.

При выполнении экспериментальных исследований нами обнаружено раннее неизвестное новое явление многоконтурного слоистого движения неоднородной текучей среды при свободной конвекции.

Такое явление возникает независимо от геометрической формы емкости, где нахо-дит-ся текучая среда (жидкость, газ) с неоднородностью в виде градиента плотности при воздействии температуры, отличающаяся от температуры текучей среды через стенку емкости [2].

На рис. 2 приведена визуализированная картина светоотражающими частицами свободной конвекции в вертикальном цилиндре: а) при наличии неоднородности по плотности в воде и б) при однородном состоянии воды.

На рис. 3 приведены последовательные состояния неоднородности раствора в горизонтальной цилиндрической емкости после начала процесса свободной конвекции. Визуализация процесса выполнена прибором Теплера ИАБ-451. После начала подогрева стенки начальное состояние (на рис. 3 а) изменяются, образовываются мелкие ячейки в виде «язычков», вклинивающиеся в жидкость (рис. 3 б). В дальнейшем ячейки расширяются по высоте (как видно на рис. 3 в) и, наконец, образовываются слои, пронизывающие всю ширину емкости с резкими границами с перераспределением плотности по слоям (рис. 3 г).

а б

Рис. 2. Визуализированная картина свободной конвекции в среде воды в вертикальном цилиндре: а) при наличии неоднородности по плотности; б) при однородном состоянии по плотности

в г

Рис. 3. Последовательное состояние неоднородности раствора в горизонтальном цилиндре при свободной конвекции

2014, том 19, № 4 11111111111111111111111111111111111111111111111Ш

На рис. 4 приведены последовательные фотокадры конвективного движения неоднородной по плотности жидкости в емкости из прозрачного материала — плексигласа. Визуализация осуществлена подкрашиванием раствора. При этом одна боковая стенка емкости служила как нагреватель, а другая боковая стенка служила как холодильник. Последовательные фотокадры 2, 3, 4, 5 показывают развитие конвективного движения. Можно наблюдать, что в начале конвективного движения у теплой и холодной стенок образуются мелкие «язычки», которые постепенно объединяются, образуя многоконтурное слоистое движение. В середине каждого слоя движение жидкости практически отсутствует, а движение жидкости происходит по верхним и нижним краям слоев в противоположных направлениях.

г д е

Рис. 5. Теневые картины развития многоконтурного слоистого движения свободной конвекции

На рис. 6 приведены последовательные теневые картины развития многоконтурно-го слоистого движения неоднородной газовой среды. Последний кадр выполнен через 30 мин после первого кадра [4].

Рис. 4. Свободная конвекция неоднородной жидкости у горячей холодной стенок емкости

На рис. 5 приведены, выполненные прибором ИАБ-451, последовательные фотокадры развития многоконтурного слоистого движения неоднородной жидкости при свободной конвекции. Последовательные кадры засняты фотоаппаратом через интервал времени 14, 60, 135, 35, 115 мин (а, б, в, г, д, е). Наглядно видно развитие свободной конвекции образованием многоконтурного слоистого движения от начала процесса до последовательного объединения слоев по мере выравнивания плотности по слоям [3—4].

д

ж

Рис. 6. Теневые картины развития многоконтурного слоистого движения неоднородной газовой среды при свободной конвекции

е

з

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ /

/ 2014, том 19, № ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ННННННННШ ННННННШШ

Р.Н. Бахтизин, А.В. Бакиев, Н.Н. Хазиев ^//////М////////////Ш

На рис. 7 приведен пример распределения плотности неоднородного раствора в емкости до 1 и на стадии развития многоконтурного слоистого движения 2. На рисунке показаны границы слоев многоконтурного слоистого движения пунктирными линиями.

Рис. 7. Распределение плотности неоднородной среды: 1 - до начала свободной конвекции; 2 - при свободной конвекции

векции образовался контурный слой раствора высотой И. Обозначим начальные плотности на уровне нижней границы слоя р1 частица А, а на уровне верхней границы - р2 частица В. Причем р2 = р1 - Ур • И. Под воздействием температурного напора 0, частица А приобретает плотность:

p = p1-(1-ß • 9)

а частица В:

p = p2 (1-ß • 9)

(1)

(2)

где в — коэффициент термического расширения раствора.

Когда р1 достигает значения плотности р2, может образоваться слой контура, т.е. р\=р2 или

p = p!-(1-ß • 9) p1 • Vp • h

(3)

Наиболее интересным параметром многоконтурного слоистого движения неоднородной текучей среды при свободной конвекции является высота слоя.

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 8 [4-5].

Отсюда,

h =

Pi-ß-V

vp

(4)

Рис. 8. Схема для расчета определения высоты многоконтурного слоя

Обозначим, что в емкости имеем раствор с градиентом плотности Ур по высоте, у стенки имеется постоянный температурный напор 0. Допустим, что при свободной кон-

Таким образом, высота слоя контура прямо пропорциональна начальному темпера-турному напору и обратно пропорциональна начальному вертикальному градиенту плотности. При постоянном Vp и 9 на высоте Н могут образоваться n = H/h слоев одинаковой высоты.

Это достаточно хорошо подтверждается экспериментальными данными. Такая высота слоя при свободной конвекции неоднородной подвижной среды является линейным размером, определяющим интенсивность свободной конвекции. При отсутствии неоднородности текучей среды этот линейный размер равняется высоте стенки, у которой происходит свободная конвекция в соответствии с общеизвестной теорией свободной конвекции.

Сущность обнаруженного нового явления заключается в том, что, при наличии не-однородности текучей среды в виде вертикального градиента плотности до начала

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/

/2

2014, том 19. № 4

процесса свободной конвекции при возникновении свободной конвекции под действием тттературтого нап°ра у в^тикалмш стенки, движение любой частицы из-за нагрева происходит до выравнивания ее плотности с плотностью частицы, находящейся на определенной высоте столба среды, где образуется горизонтальное движение поднимающихся частиц; с течением времени происходит развитое движение в виде многоконтурных слоев. По мере выравнивания плотностей в слоях, слои объединяются вплоть до образования единого контура по всей области замкнутой

текучей среды.

В настоящее время обнаруженное нами явление образования многоконтурного слоистого движения текучей среды (газ, жидкость) при свободной конвекции Международной академией авторов научных открытий признано научным открытием, выдано свидетельство о научном открытии ГБНУ «Академия наук Республики Башкортостан», А.В. Бакие-ву и Н.Н. Хазиеву выданы дипломы № 456 на научное открытие.

ЛИТЕРАТУРА

1. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи: учеб. для вузов. Изд. 2-е, М.: Энергия, 1977, 344 с.

2. Губин В.Е., Хазиев Н.Н. О термоконцентрационной конвекции // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1970. № 3. С. 166-169.

3. Орешина М.Д., Савельева Л.И., Хазиев Н.Н., Шемякина Г.Н. Свободная конвек-ция жидкости с начальным вертикальным градиентом

плотности при боковом подогреве // Прикладная механика и техническая физика. 1971. № 1. С. 123-126.

4. Бронштейн И.С., Савельева Л.И., Хазиев Н.Н., Шемякина Г.Н. Свободная кон-векция в неоднородной жидкости // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов: сб. науч. тр. ВНИИСПТ нефть. Вып. 10. Уфа, 1972. С. 130-138.

5. Бакиев А.В., Хазиев Н.Н. Гидродинамические процессы в емкостях и аппаратах, модернизация их конструкции. Уфа: Гилем, 2008. 192 с.

REFERENCES

1. Mikheev M.A., Mikheeva I.M. Osnovy [Fundamentals of

high schools. Second edition. 344 p. (In Russian).

2. Gubin V.E., Khaziev N.N. O onnoy konvektsii [On thermoconcentration Izvestiya AN SSSR. Mehanika zhidkosti i gaza - Bulletin of the Academy of Sciences of the USSR. Fluid and Gas Mechanics, 1970, no. 3, pp. 166-169 (In Russian).

3. Oreshina M.D., Savelyeva L.I., Khaziev N.N., Shemyakin G.N. Svobodnaya konvektsiya zhidkosti s nachalnym vertikalnym gradientom plotnosti pri

of fluid with an initial

cal density gradient under lateral heating], mehanika i tehnicheskaya fizika - Applied Mechanics and Physics, 1971, no. 1, pp. 123 126 (In Russian).

4. Bronshtein I.S., Savelyeva L.I., Khaziev N.N.,

not zhidkosti [Free convection in heterogen eous liquid].

i khranenie nefti i nefteproduktov [Oil and oil and storage]. Collected scientific pa-Issue 10. Ufa, 1972, pp. 130-138 (In Russian).

5. Bakiev A.V., Khaziev N.N. Gidrodinamicheskie

vices, upgrading their desig n].Ufa, Gil em, 2008. 192 p. (In Russian).

НАУК РБ

%,

2014, том 19, № 411