Бинарлы газ қоспаларындағы диффузиялық орнықсыздық
КІРІСПЕ 4
1 Бинарлы газ қоспаларындағы диффузиялық орнықсыздық 5
1.1 Қос диффузия 5
1.2 Газдардағы диффузиялық орнықсыздық 8
1.3 Бинарлы газ қоспаларындағы квазистационар жағдай үшін диффузиялық және конвективтік араласу процесінің сипаттамасы
10
1.4 Газ қоспаларындағы механикалық тепе.теңдік орнықсыздығының жалпы теңдеулері
16
2 МЕХАНИКАЛЫҚ ТЕПЕ.ТЕҢДІКТІҢ БҰЗЫЛУЫН ТӘЖІРИБЕЛ1К ЗЕРТТЕУ
22
2.1 Екіколбалық әдіс 22
2.2 Араласу процесінің визулизациясы 24
2.3 Газ қоспаларының концентрациясын интерферометрмен және хроматографпен өлшеу
27
2.4 Храматограф көмегімен газ қоспаларының концентрациясын өлшеу
28
2.5 Өлшеу қателіктері 30
3 ӘРТҮРЛІ ҚЫСЫМДАР ҮШІН ИЗОТЕРІМДІК ЖАҒДАЙДАҒЫ ДИФФУЗИЯЛЫҚ ОРНЫҚСЫЗДЫҚТЫ МАТЕМАТИКАЛЫҚ МОДЕЛЬДЕУ
32
3.1 Изотерімдік жағдайдағы диффузиялық орнықсыздық процессіне қысымның әсері
32
3.2 Бинарлы газ қоспаларындағы изотерімдік диффузияның негізгі теңдеулер жүйесі. Есептің қойылымы
34
3.3 Негізгі теңдеулер жүйесін сандық шешу 37
3.4 Математикалық модельдеу әдісінің нәтижелері 44
ҚОРЫТЫНДЫ 48
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТ ТЕР ТІЗІМІ 49
1 Бинарлы газ қоспаларындағы диффузиялық орнықсыздық 5
1.1 Қос диффузия 5
1.2 Газдардағы диффузиялық орнықсыздық 8
1.3 Бинарлы газ қоспаларындағы квазистационар жағдай үшін диффузиялық және конвективтік араласу процесінің сипаттамасы
10
1.4 Газ қоспаларындағы механикалық тепе.теңдік орнықсыздығының жалпы теңдеулері
16
2 МЕХАНИКАЛЫҚ ТЕПЕ.ТЕҢДІКТІҢ БҰЗЫЛУЫН ТӘЖІРИБЕЛ1К ЗЕРТТЕУ
22
2.1 Екіколбалық әдіс 22
2.2 Араласу процесінің визулизациясы 24
2.3 Газ қоспаларының концентрациясын интерферометрмен және хроматографпен өлшеу
27
2.4 Храматограф көмегімен газ қоспаларының концентрациясын өлшеу
28
2.5 Өлшеу қателіктері 30
3 ӘРТҮРЛІ ҚЫСЫМДАР ҮШІН ИЗОТЕРІМДІК ЖАҒДАЙДАҒЫ ДИФФУЗИЯЛЫҚ ОРНЫҚСЫЗДЫҚТЫ МАТЕМАТИКАЛЫҚ МОДЕЛЬДЕУ
32
3.1 Изотерімдік жағдайдағы диффузиялық орнықсыздық процессіне қысымның әсері
32
3.2 Бинарлы газ қоспаларындағы изотерімдік диффузияның негізгі теңдеулер жүйесі. Есептің қойылымы
34
3.3 Негізгі теңдеулер жүйесін сандық шешу 37
3.4 Математикалық модельдеу әдісінің нәтижелері 44
ҚОРЫТЫНДЫ 48
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТ ТЕР ТІЗІМІ 49
Көпкомпонентті газ тасымалдауының практикалық тапсырмаларын шешу кезінде жиі қарастырылатын ерекше жағдай, бұл–көп компонентті зат тасымалының гидродинамикалық құрамын бөлуге мүмкіндік беретін жылжымайтын газдардың (газ–сұйылғыш) қабаттары арқылы жүретін екі немесе бірнеше газдардың диффузиясы.
Әр түрлі көпкомпонентті қоспалармен байланысты табиғи және технологиялық процестерді қарастырғанда, біз оның негізгі масса тасымалдауын ерекшеліктерін көрсететін параметрлерді білуіміз қажет. Нақты кездесетін заттар мен құбылыстар алуан түрлі, сондықтан олардың массатасымалдауын анықтайтын коэффициенттер мәндері де әртүрлі және олар өте кең зерттеулерді талап етеді.
Әр түрлі көпкомпонентті қоспалармен байланысты табиғи және технологиялық процестерді қарастырғанда, біз оның негізгі масса тасымалдауын ерекшеліктерін көрсететін параметрлерді білуіміз қажет. Нақты кездесетін заттар мен құбылыстар алуан түрлі, сондықтан олардың массатасымалдауын анықтайтын коэффициенттер мәндері де әртүрлі және олар өте кең зерттеулерді талап етеді.
1. Косов В.Н., Жаврин Ю.И., Анкушева Н.Б. Конвективные режимы смешения в бинарных системах при неустойчивости механического равновесия газовой смеси // Инженерно-физический журнал. – 2008. – Т.81, №3 – С.501-507.
2. Косов В.Н., Селезнев В.Д. Аномальная диффузионная неустойчивость многокомпонентных изотермических газовых смесей. Алматы-Екатеринбург: Принт, 1998. – 180 с.
3. Toor H.L. Diffusion in three – component gas mixture // A.I. Ch. E. Journal.–1957. – Vol. 3, №2. – P.198 – 207.
4. Егерев В.К., Зайденман И.А., Здоров И.П., Исаев В.Ю., Коновалов А.П. Затухающие диффузионные колебания в закрытых системах // ЖФХ. – 1976. – Т.50, №11. – С. 2821 – 2825.
5. Miller L., Mason E.A. Oscillating instabilities in multicomponent diffusion // Phys. Fluids. – 1966. – Vol. 9, №4. – P. 711 – 721.
6. Ивакин Б.А., Суетин П.Е., Харин Г.С. О неустойчивости трехкомпонентной диффузии // Тр. Ур. пед.инс-та.–Свердловск, 1969. - №172. С.154 – 156.
7. Косов В.Н., Жаврин Ю.И., Селезнев В.Д. Оценка характерных параметров протекания развитой конвекции в диффузионно – неустойчивых смесях // Тр. II Рос.нац.конф. по теплообмену. – М., 1998. – Т.3: Свободная конвекция. Теплообмен при химических преврашениях. – С. 92 – 95.
8. Мелких А.В., Селезнев В.Д. Скорость смешения двух газов в поле силы тяжести для ламинарной конвекции // Вест. КазНУ. Сер.физ. – 2003. - №1. – С.36 – 41.
2. Косов В.Н., Селезнев В.Д. Аномальная диффузионная неустойчивость многокомпонентных изотермических газовых смесей. Алматы-Екатеринбург: Принт, 1998. – 180 с.
3. Toor H.L. Diffusion in three – component gas mixture // A.I. Ch. E. Journal.–1957. – Vol. 3, №2. – P.198 – 207.
4. Егерев В.К., Зайденман И.А., Здоров И.П., Исаев В.Ю., Коновалов А.П. Затухающие диффузионные колебания в закрытых системах // ЖФХ. – 1976. – Т.50, №11. – С. 2821 – 2825.
5. Miller L., Mason E.A. Oscillating instabilities in multicomponent diffusion // Phys. Fluids. – 1966. – Vol. 9, №4. – P. 711 – 721.
6. Ивакин Б.А., Суетин П.Е., Харин Г.С. О неустойчивости трехкомпонентной диффузии // Тр. Ур. пед.инс-та.–Свердловск, 1969. - №172. С.154 – 156.
7. Косов В.Н., Жаврин Ю.И., Селезнев В.Д. Оценка характерных параметров протекания развитой конвекции в диффузионно – неустойчивых смесях // Тр. II Рос.нац.конф. по теплообмену. – М., 1998. – Т.3: Свободная конвекция. Теплообмен при химических преврашениях. – С. 92 – 95.
8. Мелких А.В., Селезнев В.Д. Скорость смешения двух газов в поле силы тяжести для ламинарной конвекции // Вест. КазНУ. Сер.физ. – 2003. - №1. – С.36 – 41.
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ
4
1
Бинарлы газ қоспаларындағы диффузиялық орнықсыздық
5
1.1
Қос диффузия
5
1.2
Газдардағы диффузиялық орнықсыздық
8
1.3
Бинарлы газ қоспаларындағы квазистационар жағдай үшін диффузиялық және конвективтік араласу процесінің сипаттамасы
10
1.4
Газ қоспаларындағы механикалық тепе-теңдік орнықсыздығының жалпы теңдеулері
16
2
механикалық тепе-теңдіктің бұзылуын ТӘЖІРИБЕЛ1К ЗЕРТТЕУ
22
2.1
Екіколбалық әдіс
22
2.2
Араласу процесінің визулизациясы
24
2.3
Газ қоспаларының концентрациясын интерферометрмен және хроматографпен өлшеу
27
2.4
Храматограф көмегімен газ қоспаларының концентрациясын өлшеу
28
2.5
Өлшеу қателіктері
30
3
Әртүрлі қысымдар үшін изотерімдік жағдайдағы диффузиялық орнықсыздықты математикалық модельдеу
32
3.1
Изотерімдік жағдайдағы диффузиялық орнықсыздық процессіне қысымның әсері
32
3.2
Бинарлы газ қоспаларындағы изотерімдік диффузияның негізгі теңдеулер жүйесі. Есептің қойылымы
34
3.3
Негізгі теңдеулер жүйесін сандық шешу
37
3.4
Математикалық модельдеу әдісінің нәтижелері
44
ҚОРЫТЫНДЫ
48
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТ ТЕР ТІЗІМІ
49
Кіріспе
Көпкомпонентті газ тасымалдауының практикалық тапсырмаларын шешу кезінде жиі қарастырылатын ерекше жағдай, бұл - көп компонентті зат тасымалының гидродинамикалық құрамын бөлуге мүмкіндік беретін жылжымайтын газдардың (газ - сұйылғыш) қабаттары арқылы жүретін екі немесе бірнеше газдардың диффузиясы.
Әр түрлі көпкомпонентті қоспалармен байланысты табиғи және технологиялық процестерді қарастырғанда, біз оның негізгі масса тасымалдауын ерекшеліктерін көрсететін параметрлерді білуіміз қажет. Нақты кездесетін заттар мен құбылыстар алуан түрлі, сондықтан олардың массатасымалдауын анықтайтын коэффициенттер мәндері де әртүрлі және олар өте кең зерттеулерді талап етеді. Қазіргі уақытта көпкомпонентті қоспалардағы диффузия құбылысы алдағы уақытта әлі де терең зерттеулерді талап етеді. Оған мысал ретінде соңғы уақыттардан бері терең зерттелініп келе жатқан изотермдік үшкомпонентті газ қоспаларының диффузиясы кезінде пайда болатын механикалық тепе-теңдіктің орнықсыздығының байқалуын айтуға болады. Гидродинамикалық ағыстың диффузиялық ағысқа қосылуы әртүрлі бароэффект, керідиффузия, диффузиялық бөгет сияқты эффектілерге әкеледі, ол эффектілер тәжірибе жүзінде тұйықталған екі колбалық жүйе әдісімен зерттеледі [1].
Көптеген технологиялық схемаларды зат алмасу процесінде маңызды рөлді диффузия атқарады, мысалы: табиғи газдан аммиакты синтездеу, газ тәрізді отынның жануы. Қазіргі уақытта химиялық технологиялардың, ракеталық және авиакосмостық техникалардың өнеркәсіптік аппараттарын жасау және есептеу кезіндегі бинарлық қоспа жағдайына арналған зат тасымалдау тұрақтысы туралы білім жеткіліксіз. Зерттеу жұмыстары жабық жүйелердегі диффузия процесінің күрделі құбылыс екенін көрсетеді. Газ қоспаларының диффузияланып жатқан молекулаларының бірдей емес шапшаң қозғалысы салдарынан жабық диффузиялық аспаптардағы қысымның күрт төмендеуінің пайда болуы тұтас түрдегі газ қоспаларының гидродинамикалық ағымының пайда болуына алып келеді. Компоненттердің жалпы (жинақтық) тасымалын диффузиялық ағымдарға бөліктеу және диффузия процесінің дұрыс диффузиялық бейнесін гидродинамикалық түрде беру тек екі компонентке ғана емес, одан да көп күделі қоспаларға да арналған.
Массатасымалдау процестерін моделдеу - табиғи газдарды тазарту, бөлу, газ қоспаларын белгілі компоненттермен толықтыру - қазіргі ғылымның жаңа бағыты болып отыр. Аталған процестерде көпкомпонентті газ қоспаларыының араласуында тек молекулалық тасымалдау ғана емес конвективті тасымалдауда орын алатыны белгілі.
1 Бинарлы газ қоспаларындағы диффузиялық орнықсыздық
1.1 Қос диффузия
50-ші жылдардың ортасында "тұз фотондары" атты мұхитты графикалық зерттеулер кезінде ‹‹қос диффузиялы конвекция›› ("double diffusive convection") немесе ‹‹қос диффузия›› атты құбылыстар анықталды [1]. Мына әдебиеттерде [2-3], қазіргі уақытта қос диффузия процессі деп сипаттауға болатын құбылыстар көрсетіледі. Алайда ол кезде бақыланып отырған құбылысқа физикалық сипаттама берілмеген еді. ‹‹Бұл жұмыстың дамуы сұйық механикасының басқа облыстарына қарағанда қарқынды болмады. Бұл мұхитты графикалық ұйымдардың аз болуымен және тәжіребелік жұмыстардың болмауымен байланысты болатын.
Алғаш рет диффузиялық процесте орнықсыздықтың пайда болуын Миллер мен Мейсон үшкомпонентті газды қоспада термоэффектті зерттеу кезінде анықтаған болатын [5]. Лошмидтің диффузиялық аппаратында тәжірибелі тіркелген температура өзгерісі, газдардың бөліну шекарасына жақын жүйелер үшін тұрақсыз тербелістер күйінде көрінеді. Бірақ бірсарынды ұлғаюы болуы керек еді. Диффузиялық араласу кезінде газ қоспаларының осындай болуы, жүйенің концентрациялы орнықсыздығынан туындаған қоспаның (құрамының) тығыздық осциляциясымен түсіндіріледі. Жұмыстың авторлары өздерінің тәжірибелерінің нәтижелерінен газды қоспа компоненттерінің аномальды болуына жалпы физикалық түсініктеме береді және кейінгі басылымдарында осы сұрақты талдап көрсетеді [6]. Алайда, изотерімді көп компонентті диффузия кезінде конвективті ағындардың пайда болуы көрсетілмеді.
Көпкомпенентті газдардағы диффузия кезінде компоненттер концентрациясының тұтрақсыз тербелістері көрсетілген.
Өткен ғасырдың 60-шы жылдарынан бастап профессор Н.Д. Косовтың басқаруымен С.М.Киров атындағы ҚазМУ "жылуалмасу жане жану" лабаратория қызметкерлері көпкомпенентті газды қоспаларда диффузиялық процестерді зерттеуге кірісті. Жұмыстың мақсаты көпкомпонентті массатасымалдану процессі мен эффекттерді, диффузия коэффициенттерін есептеу әдісін жасау мен өлшеулер жүргізу болды. Тәжірибелер жүргізу кезінде екі колбалы диффузиялық аппаратта (квазистатционарлы диффузия), аппараттың жоғарғы колбасында 0.5 Не+0,5Аr бинарлы қоспа орналасқан, жоғарғы қысым кезінде р~1,01,5 МПа диффузиялық ағыннан бірнеше рет басым болатын конвективті ағындардың пайда болуы анықталады [8]. Конвекцияның пайда болуын белгілі "Тур эффекттерімен" [9; 10] немесе диффузиялық бароэффекттің әсерінен пайда болған гидродинамикалық ағынмен түсіндіруге болады [11].
Бұл ағындардың пайда болуын байланыстыру газды қоспаларының идеалдықтан ауытқымауын және олардың нақты қасиеттерін көрсетумен дәлелді түсініктеме алмады, себебі қысымның сол аймағында (1.01,5 МПа), онда конвекция әсері ерекше елеулі болған таза газдар және олардың қоспалары 2-3 % аспайтын қателігімен Менделеев-Клайперон тендеуімен сипатталады.
Мұхитта жылудың, тұздың және энергияның тасымалдануы тасымалданудың турбулентті коэффициенттерімен сипатталады. Сондықтан терең мұхитта турбулентті араласу басым болуы керек деп есептеледі. Осының әсерінен температураның градиенті елеусіз және бір-бірінен алыста таралған баромерлік бөтелкелердегі су сыналарымен дәлелденген. 60-шы жылдардың ортасында табиғи зерттеулердің нәтижелері көрінді. Бұл тығыздық және температурасының флуктуациясының терең өзгеруін үздіксіз өлшейтін жаңа құралдардың пайда болуымен байланысты. Өлшеулердің көрсетуі бойынша тұздылық және температура пішіні әрдайым тегіс болмайды, көбінесе жылдам өзгеретін градиент бөліктерінен тұрады. Калифорния жағасында алынған температура, тұздылық және тығыздық пішіндері 1-суретте көрсетілген [12].
Сурет 1. Теңіз суының тұздылығының және тығыздығының температурасының профилі
Федоров К.Н и Стоммел Х. қабаттардағы диссипацияның ықтимал уақытша масштабын және жылдамдығын бағалады. Температура өзгеруінің және тұздылығының өзара әсер етуі оларды градиенттерінің инверсиясын туғызуы мүмкін [13]. Олардың болжамы бойынша ‹‹қос диффузия коэффициенті кезінде конвекцияның әртүрлі түрін көрсетеді››. 1997 жылы инжинер-океаналог Уильмис арнаулы көлеңкеленген құралдың көмегімен Жерорта теңізі және Террнес теңізі ағысынан тұз саусақтарын тапты [14]. Егер тұздылығымен және температура айырымдарымен бірін-бірі компенсациялайтын қабат ‹‹сол тығыздықты күшті қасиетері бар›› сұйықтықпен қоршалған болса, қос диффузиялы конвекция үшін қолайлы шарттар кездесетінін бақылаудан көреміз. Егер орташа үлестірулер аномальды конвекцияның пайда болуына алып келмесе де, мысалы, Тынық мұхитының көп бөлігінде болса, онда аз температура градиенті және тұздылығы тұрақты болады. Горизонталь фулктуациялар вертикаль фулктуацияларды өзгеруінен қос диффузиямен жасайтын процестер жұмыс істеп бастауы мүмкін.
Егер температурасы тұздылығы бойынша үлкен горизонталь қарама-қарсы болса, бірақ тығыздықтың қорытынды айырмы аз болғанда күшті қабаттасу байқалады. Грегг интенсивтілігі фронттан алыстаумен азаятын инверсияларды тапты [15]. Осы бақылаулардан Хапперт пен Тернер ‹‹молекулалық эффекттер тек қабат масштабындағы қозғалыстарға ғана әсер етпейді [4], яғни вертикаль бойынша он шақты метр, су массалар арасындағы үлкен масштабты араласуында маңызды рөл ойнауы мүмкін››.
[16,17] жұмыстарында қос диффузия конвекция терминдерін түсіндіргенде жер атмосферасында және үлкен жұлдыздарда болатын атмосфералық құбылыстардың және процестердің массалары келтірілген. Ылғал ауаның масса көтерілуінің радиолокациялық бақылауларының көрсетуі бойынша жылы, құрғақ ауамен ылғал, суық ауа арасында кенет шекара байқалады [16]. Яғни суық ауаның жылы ауадан ылғал қабаттың пайда болуы, суық ауаның суық фронт айналасынан пайда болу жағдайы байқалады. Ылғалдылық және температура грдиенті бір-біріне қарама-қарсы бағытталған. Осындай таралу кезінде ылғал ауаның потенциалдық энергиясы қос диффузия конвекцясы бөлу шекарасын ұзақ ұстай алады. Бірақ қандайда бір әсерден бұл тепе-теңдік бұзылуы мүмкін, ол қуатты конвективті массатасымалдануына алып келеді.
Үлкен жұлдыздар ядрода жиналған гелиймен бай, ал ядроның сыртында жеңіл сутегі басым болады. [17] жұмыста химиялық құрамының градиенті, гелий-сутегі тығыздық градиентін туғызады және төменнен қыздыру орны бар гелий синтезі энергия бөлумен болады. Қос диффузия конвекциясы көмегімен жоғарыға гелий тасымалданатын конвнективті қозғалыс пайда болады. Осындай күйде тығыздық градиенті тұрақты болғанда температура таралуы біртекті болады. Астрофизикалық орнықсыздықтың басқа ерекшелігі жұлдыздың айналуының бұрыштық моментінің және температура градиентінің таралуы болып келеді. Осындай жүйеде дифференциалды айналудан энергия іріктеуімен орнықсыздық дамуы мүмкін. Ол бұрыш моментінің таралуында орнықсыздық тудырады.
Жанартау атқылағанда бақыланатын теңіз түбінде болған жағдай ерекше қызығушылық тудырады. Мұхит түбінде өте ыстық және тұзды сұйықтың суық суда ағып шығу кезінде осы ағынның екі бөлікке бөлінуі бақыланып біріншісі жоғарыға көтеріледі, ол ыстық және онша тұзды емес. Екіншісі жылы теңіз суымен байытылған ағыс көрсетілген бақылау шекарасымен мұхит түбімен жайылып жатыр. Уақыт өте келе кристаллизация болады және мұхит түбінде қалған құрамның тұнуы бірнеше километрге горизонталь созылады жатыр. 2-суретте осындай процестің кесіндісі келтірілген [18].
Сурет 2. Жанартаудың интрузиясының түрлі тығыздық қабаттары
Қабаттардың тұрақтылығы қос диффузия құбылысының әсерінен сұйық күйде пайда боғанын көрсетеді. Гидродинамик Хапперт және геолог Спаркстың болжамы бойынша [19] қабаттың пайда болуына жаңа магманың периодты құйылуы себепші болады. Ол құрамның айырмашылығына байланысты ағып кеткен магмаға қарағанда жылылау болады және оған қарағанда ыстық болуы мүмкін. Жаңа магма қабат тудырады, жоғары жатқан бөлу шекарасынан жылуалмасу арқасында суып қалады. Қабат жоғарыдан суый бастайды шекара үстінен зат тасымалдауы елеусіз болады, сондықтан оның ішінде оливин кристаллдары пайда болады. Жаңа және ескі магмалар қабаттарының арасында жылулық тепе-теңдік басталғанда кирсталлдар түсіп қалады да, қалған сұйықтықтың тығыздығы температура кемейуімен азаяды. Ол мұхит суының жоғарғы қабатымен араласып жоғарыға көтерілуі мүмкін.
1.2 Газдардағы диффузиялық орнықсыздық
Изотерімді үшкомпонентті газды қоспаларда диффузияны тәжәрибелік зерттеулер, олардың кейбіреулерінде белгілі шарттарда құрылымды конвективті ағындар пайда болып және олардың өзінің молекулалық тасымалдануына әсер етуі қоспаның диффузиялық орнықсыздығына (механикалық тепе-теңдік орнықсыздығы) алып келетінін көрсетті [21-22]. Диффузиялық каналда араластын газдардан тұратын конвективті ағындардың пайда болуы үшін тығыздықтыры әртүрлі екі қабат асты құрылуы керек. Тығыздығы үлкен қабат асты тығыздығы аз қабат астының үстінде орналасуы қажет. Қабат астыларының ауырлық күші өрісінде осылай орналасуы орнықсыз және кез-келген қозғалыстан орын ауыстыруы мүмкін. Сонда өте ауыр қоспа төменге ағады, ал өте жеңіл қоспа жоғарыға көтерілуге тырысады, яғни ковекция пайда болады. Бастапқы құрылған өте ауыр қоспа жеңіл қоспаға ‹‹бұрқ етуі›› де болады. 3-суретте мысал ретінде диффузиялық каналда және диффузиялық аппарат колбасында диффузиялық орнықсыздығының көлеңкеленген суреттері көрсетілген [21].
а) б)
а, б диффузиялық аппараттың төменгі және жоғарғы колбасы.
Сурет 3. 0.5143He+0.485CO2 кезінде p=1.5Па жүйесінде диффузиялық орнықсыздық процесінің көлеңкеленген суреттері, T=298К
Диффузиялық каналдың аймағында құрылымды конвективті ағындар анық көрінеді. Жоғарғы колбада диффузиялық каналды жабатын қақпақ көрінеді. Ерікті гравитациялы концентрациялы конвекцияның пайда болу себебі араласу түрін табумен, орнықсыздықтың сызықты теориясымен түсіндірілген [23; 24]
Алынған нәтижелер физикалық мағынасы бойынша жылулық конвекция кезінде орнықтылықтың бұзылуымен байланысты [23]. Бір режимнен екінші режимге ауысу шекарасын анықтауға мүмкіндік береді [24]. Изотерімді көпкомпонентті жүйелер үшін орнықтылық диффузия облысының бірсарынды және тербелмелі орнықсыздық болуы көрсетілген. Геометриясы әртүрлі каналда орналасқан кейбір газ қоспаларының орнықтылық негізіндегі теорияларына сәйкес келетін тәжірибе мәліметтерімен дұрыс салыстыруға мүмкіндік береді.
Кейбір газды қоспаларда диффузиялық орнықсыздықты зерттеу кезінде диффузиялық процестің пайда болуына және ауысу түріне әртүрлі факторлар мен қоспа параметрлері әсер етеді. Осы кезде табылған эффекттерді ғылым және техника облысында қолдануға болады. Мысалы, газды қоспаларды анықталған компоненттермен байыту
1.3 Бинарлы газ қоспаларындағы квазистационар жағдай үшін диффузиялық және конвективтік араласу процесінің сипаттамасы
Изотермдік жағдайдағы бинарлы газ қоспаларындағы өзара диффузияны сипаттау үшін Фик заңы деп аталатын келесі феноменологиялық қатынас қолданылатыны мәлім:
, (1)
мұндағы, , i - ші компоненттің мольдік үлесі, u1 - i - ші компоненттің орташа жылдамдығы, ni - осы құрамдас бөліктің сандық тығыздығы, n = n1 + n2 - қоспаның сандық тығыздығы, D12 - заттардың бірінің біреуіне өту жылдамдығын сипаттайтын өзара диффузия коэффициенті (ӨДК).
u1, u1 (2) табу үшін (1) формуласын байланыс теңдеуімен толтыру қажет [6; 7].
, (2)
мұндағы, V - қоспаның қайсыбір сипаттамалық жылдамдығы, γ1, γ2 - қайсы бір өлшемсіз коэффициенттері, сонымен қатар, γ1+γ2=1.
Өзара диффузия жағдайы кезінде жабық жүйелердегі идеал газ қоспалары үшін орташа сандық жылдамдыққа қолданылатын (2) шарт келесі түрде болады:
, (3)
мұндағы - қоспаның орташа сандық жылдамдығы.
Өзара диффузия кезінде компоненттердің молекула массаларының және олардың эффективті көлденең қимасының әртүрлілігінен молекулалар әртүрлі жылдамдыққа ие болатындығын көрсеткен еді. Осының әсерінен құрылғы колбасындағы молекулалардың таралуы байқалады. Ең жеңіл және ең тез қозғалғыш молекулалар құрылғының колбаларын біріктіретін капилярдан кері қарай қозғалатын ауыр молекулаларға қарағанда жылдамырақ өтеді, яғни молекулалардың орын ауыстыруы өзгермейді. Осының әсерінен, колбалар арасында ∆ p қысым айырмасы пайда болады. Бұл құбылыс диффузиялық бароэффект деп аталады [8-11]. Дегенмен ∆ p құрылғы колбаларындағы қысымымен салыстырғанда аз, бірақ тұтқыр режим жағдайында қысым айырымын тудыратын гидродинамикалық ағыстың жылдамдығы диффузиялық жылдамдықтармен шамалас. Сондықтан оны ескермеуге болмайды. ∆p колбадағы қысым айырымы газдардың араласу уақытына баяу релаксацияланады [6].
ол Кнудсеннің аз санынан Kn 1 колбалардағы қысым айырымының тұтқыр релаксация уақытынан көп болады [6-11].
мұндағы η - капиллярдағы қоспаның динамикалық тұтқырлығы.
Концентрация τmix және қысым τrel релаксация уақыт мәндері қатынасында Кнудсен Kn2 (Kn=λd, мұндағы λ - еркін жүру ұзындығы; d - есептің өзіндік өлшемі) санының квадрат реті бар. Егер Kn 1 болса, онда τrelτmix уақыт аралығында жабық жүйеде квазистационар диффузия режимі орнайды, сол кезде концентрацияның тиесілі градиенті астынан қысымның градиент аясын құру пайда бола бастайды. Одан кейін, араласу процесіндегі ∆ p өзгерісі τmix уақытына сәйкес болады.
Қысым градиентінің баяу өзгеруін ескермей, квазистационарлық диффузияның шартын келесі түрде жазамыз:
. (4)
Радиусы r, ұзындығы L капиллярмен [12-15] жалғанған көлемдері бірдей екі колба жүйесі үшін бірқалыпты тасымалдау келесі түрде жазылады [6]:
.
Көлемдері VI, VII (4-сурет) екіколбалы тұйық жүйеде бөлшектердің санын сақтау шарты келесідей:
, , (5)
мұндағы VI, VII- сәйкесінше түрде төменгі және жоғарғы колбалардың көлемдері, S=PIr2- диффузиялық каналдың көлденең қимасының ауданы.
Сурет 4. Екіколбалы әдістің диффузиялы ұяшығы
(1), (3) және (5) теңдеулерін бірге шеше отырып, колбадағы концентрация айырмасының t - араласу уақытынан тәуелділігін аламыз:
. (6)
мұндағы ∆c0 =cI0-cII0 - бастапқы уақыт кезіндегі концентрация айырмасы, ∆ct =cIt-cIIt - t - уақыт кезіндегі концентрацияның айырмасы.
(6) теңдеуді Ней, Армистед және Эндрюмен бір-біріне тәуелсіз алған [13].
Диффузиялық құрылғының колбаларындағы (тек каппилярда ғана емес) концентрацияның таралуын есепке алу үшін, яғни колбаның диффузиялық кедергісі үшін капиллярдың L геометриялық ұзындығынан оның эффективті мәніне Lэфф өтуін жүзеге асыру керек [6].
, (7)
мұндағы, d- капилляр диаметрі, a=0.745+-0.012.
Екіколбалық әдіс сиретілген газ үшін ғана емес, сондай-ақ температура мен қысымның үлкен интервалындағы тығыздалған газдарда диффузияны зерттеу кезінде де кеңінен қолданылады.
Диффузиялық бароэффекттің бар екеніне болжау жасаған Больцман [22] және Максвелл [23] болатын, бірақ алғаш бароэффектті 1943 жылы сутектің ауадағы диффузиясын зерттеу нәтижесінде Крамерс пен Кистемакер [24] өлшеген болатын. Тұтқыр және жылулық жылжу үшін жасаған Максвеллдің [23] есептеу әдісіне арқа сүйей отырып, Кнудсеннің кіші сандары үшін теориялық формуланы да осылар тапқан. Пуазейл ағысын ұстап тұратын ауыр газ қысымының градиенті орнағанда гидродинамикалық ағыс тұрақты болатыны болжанған еді.
Мұндағы өзара диффузия кезінде пайда болатын бароэффекттің мәні ∆p, диффузиялық жылжуды ескеріп және ескермеген шарттарда алынған [24]:
∆p=4ηD12r2lnm2m1 (жылжуды ескере отырып)
∆p=8ηD12r2lnm2m1 (жылжуды есепке алмай)
мұндағы η - капиллярдың ұзындығымен орташаландырылған қоспаның тұтқырлық коэффициенті, r - капилляр радиусы, m1, m2 - диффундирленген газдардың молекулаларының массасы.
Диффузиялық бароэффектті зерттеу көрінісі кейіннен П.Е.Суетин мен П.В.Волобуевтің [8, 9] жұмыстарында жетілдірілді. Диффузиялық бароэффектті зерттеу үшін сезімталдығы жоғары сыйымды дифференциалды микроманометр құрастырылды. Олардың негізгі элементі тігінен орналасқан диаметрі 64 мм және қалыңдығы 0,1 мм болатын бериллийлі қоладан жасалған екі гофрлы мембранадан тұрды. Қысым айырымының әсерінен мембраналардың бірі орын ауыстырылып, олардың арасындағы сыйымдылық өзгереді, мұны екінші аспап - сыйымдылықты жетілдіру өлшеуіші аспабымен өлшеуге болады.
Диффузиялық бароэффект каналдағы ағыс кезінде газдардың бөліну эффектісіне қарсы болып табылады [7]. Онзагердің арақатынастары арқылы бароэффекті зерттеу мембрананың айырғыш ерекшеліктерін анықтауға мүмкіндік береді.
Диффузиялық бароэффекті зерттеу басқа да маңызды ғылыми және практикалық мағыналарға ие. Сол себептен [7] жұмыста диффузиялық бароэффектің газдардың араласу уақытынан ∆p(t) тәуелділігіне қатысты, LR және Kn параметрлерінің кең көлемінде алынған тәжірибелі деректер келтіреді және талданады, сонымен қатар, қалпына келтіру әдістемесі ұсынылған, мәндері берілген және каналдағы газдардың бинарлық қоспасының қозғалысын сипаттайтын барлық үш кинетикалық LPP, LPD және LDD коэффициенттердің полуэмпириялық формулалары табылған.
[25] жұмыста араласудың бароэффектінің тұйық аспаптағы диффузияға ықпалы қарастырылады. Араласудың бароэффектісі деп газдардың араласуы кезіндегі диффузиялық аспаптағы қысымның өзгеруі түсіндіріледі. [26, 27] жұмыстарында газдардың араласуындағы бароэффектінің тәжірибелік зерттеулері толық берілген. Өлшеу принципі бойынша өзара капиллярмен жалғанған көлемдері V1 және V2 болатын екі ыдыс қысымы бірдей болғанша зерттеліп отырған газдармен толтырылып, термостатқа орналастырылған. Толық орын араласудан кейін қоспа қысымы бастапқыдан өзгеше мәнге ие болады. Көлем ∆p=pсм-p0 араласудың барикалық изохорлы-изотерімдіқ эффектісі болып табылады.
[28] жұмыс авторының ойынша, газдардың араласуындағы бароэффектінің пайда болуының себебі, көлем бірлігінде бастапқы уақыт бірлігіне қарағанда газдардың жиынтығында қалыптасқан молекулалардың соқтығысу сандарының өзгерісі болып табылады. Ал соқтығысу сандарының өзгеруі өз кезегінде, автордың ойынша, қоспада бірінші және басқа газдардың молекулалары арасында әр түрлі молекулааралық қарым-қатынас пайда болуымен түсіндіріледі.
[27] зерттеу нәтижесі бойынша корреляциялар қанық сызыққа жақын газдардың идеалдықтан ауытқуы ерекше айқын байқалатын аудандарда 15%-ға дейін жеткенін көрсетеді.
Стационарлы емес өзара диффузия келесі теңдеулер жүйесімен сипатталады:
, (8)
, (9)
мұндағы әр компоненттің ағысы лабораториялық есеп жүйесінде екіге бөлінген: есептің ортасандық жүйесіндегі диффузиялық ағыс және гидродинамикалық қосынды түрінде ортасандық жылдамдығы w0 болатын ағыс.
(8), (9) теңдеулері жалпы бөлшек санын және әр компоненттің бөлшек санының сақтау заңының мағынасын білдіреді. Олар феноменологиялық теория шеңберінде алынуы мүмкін, бұл нақты газдарға қолдану аумағын кеңейтеді. Бірқалыпты жағдайда пайда болған қоспаның нақты еместігін ескере отыра олар [30, 31] көрініс табады:
(10)
,
мұндағы , - диффузияланатын компонеттердің мольдік үлесі, , - парциалдық мольдік көлемдер [2].
Dv=D1V2c2+D2V1c1 (11)
мұндағы DV - өзара диффузия коэффициенті.
Идеал қоспаларда (10) теңдеуін едәуір жеңілдетеді және Dv=D12 анықтау үшін осы теңдеуді қолдануға мүмкіндік береді.
[32] бойынша араласу эффектілері қоспалардың идеал еместігінің макроскопиялық өлшемі болып табылады. [33] көрсетілгендей (10) теңдеуінің оң жақтағы екінші мүшесін тәжірибедегі концентрация айырмасы жеткілікті аз болса, реал қоспа жағдайында ескермеуге болады.
Егер өзара диффузия коэффициенті D12 концентрациядан тәуелсіз болса немесе тәжірибеде концентрацияның аз айырмасы зерттелсе, онда Фиктің екінші заңын сызықты біртекті екінші қатарлы теңдеу ретінде жазуға болады:
. (12)
Қалыпты жағдайдағы шарттардағы газдар үшін өзара диффузия коэффициентінің концентрациялық тәуелділігі әр түрлі әдістермен [34-41] зерттелген және 0-ден 1-ге дейін концентрацияның өзгеруінде 8-15%-ды құрайды. Жоғары қысым кезінде концентрациялық тәуелділіктің сипаты өзгереді [42-44], сондықтан (12) теңдеуінің концентрацияның кең көлемінде қолданылуы барлық жағдайда дәлелді емес.
1.4 Газ қоспаларында механикалық тепе-теңдік орнықсыздығының жалпы теңдеулері
1916 жылы Рэлей [57] негізін қалаған жылулық гравитациялық конвекциялардың пайда болуымен байланысты есептер үшін орнықтылық теориясының негізгі жағдайы, біркомпонентті сығылмайтын сұйық немесе газ үшін Г.З. Гершуни және Е.М. Жуховицкий [58, 59] ұсынған жұмыстарда айтылған және Л.Д. Ландау және Е.М. Лифшиц [60], С.Чандрасекхар [60], Д. Джозеф [59, 60], И. Джалурия [57] және басқалардың [45-60] жұмыстарында талқыланады. Онда сұйықтың екі немесе одан да көп компоненттен тұратын жағдайы да қарастырылған.
Біртекті сұйықтың немесе газдың макроскопиялық ағысын сипаттайтын гидродинамика теңдеулер жүйесі Навье-Стокстың қозғалыс теңдеуінен, жылуалмасу теңдеуінен және үздіксіздік теңдеуінен тұрады [58]:
, (13)
, (14)
, (15)
мұндағы - жылдамдық, p - қысым, ρ - тығыздық, T - абсалюттік температура, s - сұйықтық немесе газ массасының бірлік энтропиясы, D - диссипативтік функция, - ауырлық күшінің үдеуі, η және ξ - сәйкесінше жылжымалы және көлемдік тұтқырлық коэффициенттері, χ - температура өткізгіш коэффициенті ((13), (14) теңдеулері η, ξ және χ коэффициенттері тұрақты деген болжаммен жазылған).
(14 - 15) теңдеулер жүйесін күй теңдеуімен толықтырып,
, (16)
температураның біртекті еместігімен туындайтын, тығыздықтың кеңістіктік біртекті еместігінен пайда болатын ауырлық күші өрісіндегі газ қозғалысын сипаттауға болады. Осы жағдайда, яғни ортаның сығылғыштығы мардымсыз және η, ξ және χ коэффициенттері температураға тәуелсіз болса, онда аз ауытқулар әдісі шеңберінде Буссинесктің [55-60] жуықтауын [58] қолдана отырып аталған теңдеу жүйесін жеңілдетуге болады.
(14) - (15) теңдеулер жүйесін ұйытқу шамалары үшін жазамыз , мұндағы және - қысым мен температураның кейбір тұрақты орташа мәндері, ал және - ұйытқулар (кішімен болжамдалған, соның ішінде олардың әсерінен болған тығыздықтың орташа мәннен ауытқуы қарағанда кіші). Онда термодинамикалық қатынастарды [18] есепке ала отырып, екінші ретті жуықтау мүшелерін елемей, (14) - (15) теңдеулерін ұйытқу шамалары үшін келесі түрге келтіруге болады (штрихтар түсірілген):
,
, (17)
,
мұндағы - кинематикалық тұтқырлық коэффициенті, - тігінен жоғары бағытталған бірлік вектор, .
(17) жүйесін өлшемсіз түрге келтіру барысында келесі өлшемсіз параметрлерді алуға болады (критериалды сандар):
- Прандтл саны;
- Грасгоф саны;
- Рэлей саны;
мұндағы r - есептің сипаттама сызықтық өлшемі.
Көрсетілген параметрлер еркін конвективті қозғалыстың ұқсастық критериін береді. (17) жүйесі кіші стационарлы емес ауытқуларды (сызықтық жақындатуда) бейнелейді және экспоненциалды заң бойынша уақытқа тәуелді жеке шешімдерге ие (қалыпты ауытқу деп аталатын):
, (18)
мұндағы λ - ауытқудың уақытша жүрісін анықтайтын сипаттамалық параметр (декремент). (17), (18) теңдеулерінің көріністерінен олар өз мағынасы жайлы есепті анықтайтынын бекітуге болады. Меншікті сандар - қалыпты ауытқулар декременті λ болып табылады, ал меншікті функциялар - сәйкес амплитудалар. Яғни, (17), (18) белгілі геометрияда тұрақты орнықтылық жүйесінің қалыпты ауытқулар спектрін сипаттайды [49, 50, 55, 58, 59, 60].
Уақыт бойынша қалыпты ауытқулардың өзгерісі көбейткішке байланысты exp[−λ t]. Егер λ декременті нақты болса, онда ауытқулар λ нөлден үлкен немесе кіші болғанына байланысты бірыңғай сөнеді немесе бірқалыпты өседі [58]. Егер λ декременті комплексті болып табылса, онда оны түрінде бейнелеуге болады. Бұл жағдайда ауытқулар декрементінің жорамал бөлігімен тең жиілікпен осциллияланады, ал осциллияландыратын аукытқулардың өсуі (өшуі) заттық бөлшегі белгісімен анықталады. Сәйкесінше, шарты осы және басқа да ауытқуларға байланысты тұрақтылықты жоғалтуды анықтайтын Рэлей санының критикалық спектрін алуға мүмкіндік береді.
Тұрақты стационарлы жағдай үшін барлық қалыпты ауытқулардың декременттерінің нақты бөліктері нөлден үлкен болуы керек. Егер спектрде нақты декремент бөлігі нөлден үлкен қандайда бір ауытқу табылса, онда бұл осы ауытқуға қатысты стационарлы жағдайдың тұрақсыздығын білдіреді [58, 59, 60].
[58, 59, 60] гравитациялық алаңда орналасқан бірыңғай сұйықтық немесе газдардың жылу конвекциясының пайда болуы, температураны үлестірудің бірқалыпты емес жағдайында ғана мүмкін екені көрсетілген. Архимед күшімен ескерілген конвективтік ағыс, тек дұрыс тығыздық градиенті
() кезінде ғана пайда болатынын байқауға болады.
Мысал ретінде Рэлей-Бенар есебін [57, 58] қарастырайық. Параллель жазықтықтармен шектеулі сұйықтықтың немесе газдың көлденең шексіз қабаты болсын , (d қабат қалыңдығы бұл жағдайда сызықтық масштаб болып табылады). Қоспаның күйі тұрақты болуы үшін, сызықтық заң бойынша темпуратура тек z тік координатына тәуелді болуы қажет:
. (19)
Сонда қабаттың барлық нүктелерде температуралық градиент тік және нақты мағынаға ие
. (20)
(20) ауытқу теңдеу жүйесін келесі масштабтарға байланысты өлшемсіздендіреміз: арақашықтық - d, уақыт - , жылдамдық - , қысым - және температура - .
Сонда бұл теңдеулер жүйесі мынандай көрініс табады:
,
, (21)
.
Навье-Стокса теңдеуіне rotrot операциясын қолданып және алынған векторлық теңдеуді z осіне жобалай отырып, p∇ қысымының градиентін және жылдамдықтың көлденең компоненттерін , құрайтын мүшелерін (32)-ден шығарамыз [58]. Бірнеше өзгерістерден кейін (32)-ті тік жылдамдық пен T температура ауытқуы үшін екі теңдеу жүйесіне қосамыз:
(22)
мұндағы - лапласиан.
Шекаралық шарттар қабаттың шекараларында жылдамдықтың, жанама кернеудің (қабаттың шекаралары еркін) және температура ауытқуларының болмағандығын болжайды. Одан басқа, қабаттың шекаралары жалпақ деп болжамдалады(яғни пайда болған конвекциялық ауытқулар шекараның қисықтануына келтірмейді). Демек, біз шекаралық шарттар жүйесіне ие боламыз:
және болғанда, , , . (23)
(22) шешімі (23) есепке алғанда мынадай көрініс табады [58]:
(24)
мұндағы U және и - ұйытқулар амплитудалары, - ұйытқулар модасы, және - ұйытқулардың x және у бағыттары [58] бойымен мезгілдігін айқындайтын толқындық сандар.
(24)-ті (22)-те елестете отырып, λ декременті және ұйытқу амплитудаларына қатысты теңдеу жүйесін аламыз:
мұндағы . U мен и алып тастап, түбірлері декременттер мағынасын беретін λ қатысты бұл есепті квадраттық теңдеуге алып келеміз:
(25)
Егер (тығыздықтың градиенті оң, бұл төменнен қызуға сәйкеседі), онда түбір астындағы өрнек нөлден үлкен, сондықтан ауытқулар бірыңғай. үшін түбір әрдайым оң. R өсуімен түбірі кішірейеді және белгілі мағынада тұрақсыздық тудыра отырып теріс болады. (36)-да деп, Рэлейдің критикалық санын анықтаймыз
(26)
жағдайы жоғарыдан қызуға келеді. Белгілі дейін ғана ауытқулар бірыңғай болады. Кейін модуль бойынша R ұлғайғанына байланыста түбір астындаға мағына теріс болады және комплексті-түйіндес декременттер пайда болады. (25) жағдайындағы сияқты, Рэлейдің критикалық санын табу үшін, (26)-дағы түбір астындағы өрнекті нөлге теңестіру қажет, яғни
(27)
Бұл ретте декременттің нақты бөліктері оң және сол себептен тербеліс ауытқулар өшеді.
(25) - (27) есептерін талдауынан конвекциянің туындауы тығыздықтың оң градиенті жағдайында ғана ықтимал екенін көрсетеді. Сондай-ақ шарты бойынша жоғарғы колбадағы газдың тығыздығы төменгідегінің тығыздығанан белгілі бір көлемде көп болуы қажет. Бұл тұтқырлық кедергісін және конвекциялық ағыстарда қалыптасатын жылу алмасуды жеңу үшін тығыздықтардың айырымы керек дегенді білдіреді. Егер , онда жүйе төменнен қызуына қарамастан, конвекция туындамайды.
2 механикалық тепе-теңдіктің бұзылуын ТӘЖІРИБЕЛ1К ЗЕРТТЕУ
2.1 Екіколбалық әдіс
Газдардағы диффузиялық және конвективті араласуын зерттеу үшін екіколбалық әдіс қолданады. Бұл әдіс кысым, температура және концентрацияның кең аумағындағы газ қоспаларының тасымалдау қасиеттерін (мысалы, ӨДК-ны өлшеу үшін, термодиффузия коэффиценттерін анықтау үшін, диффузиялық турақсыздықты зерттеуде және т.б.) анықтау үшін пайдаланылады [42, 29, 43].
Біздің зерттеуімізде екіколбалы диффузиялық аппараты диффузия -концентрациялы гравитацияльқ конвекция тасымалын және бip колбадан екіншісіне диффузияланған компонент санының қысым, компоненттердің бастапқы концентрациясы, аппарат колбасындагы қоспалардың араласуы сияқты параметрлерге тәуелділігін анықтау үшін пайдаланылды. Тәжірибелер 0,2 МПа - дан 2,1 МПа қысымда және бөлме температурасында жүзеге асырылды.
Екіколбалы әдістің құрылғысы екі бөліктен тұрады.
Бірінші бөлік - газдарды дайындау блогы, 3-сурет. Ол колбадағы қысымды өлшеуге арналған екі манометрден 12 (бiз дәлдік класының шегі 0,4-ке тең манометрлерді пайдаландық), диффузиялық аппараттың колбаларындағы қысымды тепе-тең күйге келтіретін ыдыстан 13 (колемі колбаның көлеміндей), сонымен бipгe А және Б баллондарынан алынатын газ қоспаларымен сәйкес аппарат колбаларын толтыруға арналған инелі бұрандалардың (кран) жиынтығынан 1-10 тұрады. Манометрлер арнайы жасалынған мембраналық бөлгіштермен 11 жабдықталды. Олар сәйкес колбаның монометрінің толық көлемін бөліп тұрады. Осылайша бұл бөлгіштер зиянкес сыйымдылықтардың әсер етуін тоқтатады.
Екінші бөлігі - көлемдері және болатын екі ыдыстан тұратын диффузиялық аппарат. Колбалар өзара бip шетінде мөлдір қабырғасы бар саңылаулы диффузиялық каналмен 15 байланысқан. Бұл жағдай молекулалық немесе конвективті араласу процестерін көру арқылы бақылауға мүмкіндік береді [4]. Каналдың геометриялық өлшемдері .
Диффузиялық каналдың геометриялық параметрлерінің массатасымалдануы сипатына әсерін зерттегенде канал өлшемі өте кішкентай жұқа қалқаншамен тең екі бөлікке бөледі. Бұл қалқанша каналдың бip бөлігін толығымен жабады. Диффузиялық каналы бар блок латуннан жасалған. Мысты фольгадан (қалыңдығы 0,1 мм) жасалынған бөлгіш пластина каналда эпоксидті смоламен жабыстырылған.
А,Б - газ баллондары ; I-газдарды дайндау блогы; II- екіколбалық аппарат;
1-10 ˗ крандар; 11- мембраналық бөлгіштер; 12- үлгілі манометрлер; 13- теңдестіруші ыдыс; 14-төменгі колба; 15- диффузиялық канал; 16-жоғарғы колба; 17-фторопластты таблетка; 18- шток; 19-бұрғы.
Сурет 5. Екіколбалық әдіс құрылғысының тәжірибелік cұлбасы
Рисунок 11 - Схема экспериментальной установки двухколбового метода
2.2 Араласу процесінің визулизациясы
Аномальды диффузиялық араласу пpoцeci интенсивтілігі әртүрлі конвективті ағыстармен сипатталады. Оларды әртүрлі әдістердің көмегімен -катрометрлі [44] немесе визуалды бакылаумен [45] тipкeyre болады. Конвективті ағыстардың визуализациялау әдістерінің ең көп таралған түрі-көлеңкеленген әдіс. Бұл әдіс жарықтың сыну көрсеткішінің температуралық тәуелділігінне негізделген. Жылулық конвекция құбылысын зерттегенде бұл әдіс температура мен қысымның ауқымды аймағында сұйық және газ тәрізді орталарда пайдаланылды [46, 47]. Суық төмен түсетін өте тығыз ағындар жарықты фокустайды және экранда ашық түсті болып көрінеді, ал жылы тығыздығы аз жоғарылайтын ағындар шашыратушы линзалар сияқты қара түсті бейнелерді береді.
Көпкомпоненті қоспаларда конвективті ағыстар визуализациясымен байланысқан изотерімді концентрациялы конвекция жағдайы үшін әдістері айтарлықтай аз. Конвективті құрылымдардың пайда болу динамикасымен және қалыптасуымен байланысты ақпараттарды беретін әдістерге назар аударамыз. Миллер, Мейсон және Сперлинг [48] зерттеп отырған жүйеге арнайы қосымшалар қосу арқылы, газдарда көпкомпонентті диффузия кезінде қоспаның механикалық тепе-теңдік орнықсыздығын зерттеу әдісі ретінде визуализацияны қолданды. Бұл келесі түрмен жүзеге асады. Үшкомпонентті газды қоспасының диффузиясы кезінде диффузиялық ұяшықтың бір бөлігіне бір пайыз NH3, ал басқа бөлігіне бір пайыз НСL қосылады. Зерттелетін қоспалардың араласуы кезінде NH4CL жұптары пайда болады. Олар арнайы қондырғылар көмегімен экранда проекцияланады, одан фото және бейне түcipyre болады. Бұл әдістің кемшілігі диффузиядан кейін газ қоспаларының химиялық реакцияның жанама өнімдерінің пайда болуынан дұрыс талдауының болмауы. Сонымен қатар, бұл әдісті тек анықталған газдар үшін қолданады. [39] жұмыс авторлары алғаш рет компоненттердің парциалды ағындарының сандық өлшемдерін және құрылымды ағыстардың бір мезгілде визуалды анықтауымен байланыстыруын шешті. Жылулық конвекция есептері үшін әдетте колданылатын шлирен-әдісті визуализация үшін қолданды. Арнайы бақыланатын терезелерімен айқын диффузиялық каналы (6-сурет) бар екіколбалы аппарат түрінде диффузялық ұяшық жаратылды [20]. [19, 20] жұмыстарындағы өлшеулер көрсеткендей, компонеттердің парциалды ағынының санаулы өлшеулері құрылымды ағыстардың визуалды акпараттарды параллельді түсіндіруі мен толықтырылады.
[37] жұмысында да осыған ұқсас амал қолданды. Онда диффузиялық көпір шарттарында конвективті режим визуализацияланады. Механикалық тепе-тендік орнықсыздығымен байланысты зерттеулерді жүргізу үшін тәжірибеге конструктивті өзгерістер енгізілді [17]. Олар шағын көленкеленген құралда, стационар-ағынды және екіколбалы әдісінің диффузиялық ұяшығында өзінің көрінісін тапты [7].
1
2
3
4
1-жоғарғы колба; 2-төменгі колба; 3-диффузиялық канал; 4-бақыланатын терезе.
Сурет 6. Масса алмасу процестерін визуалды зерттеуге арналған
екіколбалы аппарат.
Жарық сүзгісінің, конденсорлы линзадан, саңылау және қорғаныш шынысы бар бастапқы объективтен туратын оптикалық жүйе О, зерттелетін ортадан өтетін параллель жарық түйінін қалыптастырды. Қабылдау объективінің және линзаның фокальды жазықтықтығында, жарық көзінің S суретін анықтайтын оптикалық жүйелер 02, О, экранда объект суретін қалыптастырады.
5
1
2
7
6
4
3
1 - екіколбалы аппарат; 2 - жарық көзі 3 - конденсорлы линза; 4 - бастапқы объектив; 5 - қабылдағыш объектив; 6 - окуляр; 7 - швеллерлы балка.
Сурет 7. Газды қоспаларда конвективті араласуын визуальды зерттеу үшін тәжірибелі қондырғы.
Егер объективтің фокальды жазықтығында (оптикалық ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
КІРІСПЕ
4
1
Бинарлы газ қоспаларындағы диффузиялық орнықсыздық
5
1.1
Қос диффузия
5
1.2
Газдардағы диффузиялық орнықсыздық
8
1.3
Бинарлы газ қоспаларындағы квазистационар жағдай үшін диффузиялық және конвективтік араласу процесінің сипаттамасы
10
1.4
Газ қоспаларындағы механикалық тепе-теңдік орнықсыздығының жалпы теңдеулері
16
2
механикалық тепе-теңдіктің бұзылуын ТӘЖІРИБЕЛ1К ЗЕРТТЕУ
22
2.1
Екіколбалық әдіс
22
2.2
Араласу процесінің визулизациясы
24
2.3
Газ қоспаларының концентрациясын интерферометрмен және хроматографпен өлшеу
27
2.4
Храматограф көмегімен газ қоспаларының концентрациясын өлшеу
28
2.5
Өлшеу қателіктері
30
3
Әртүрлі қысымдар үшін изотерімдік жағдайдағы диффузиялық орнықсыздықты математикалық модельдеу
32
3.1
Изотерімдік жағдайдағы диффузиялық орнықсыздық процессіне қысымның әсері
32
3.2
Бинарлы газ қоспаларындағы изотерімдік диффузияның негізгі теңдеулер жүйесі. Есептің қойылымы
34
3.3
Негізгі теңдеулер жүйесін сандық шешу
37
3.4
Математикалық модельдеу әдісінің нәтижелері
44
ҚОРЫТЫНДЫ
48
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТ ТЕР ТІЗІМІ
49
Кіріспе
Көпкомпонентті газ тасымалдауының практикалық тапсырмаларын шешу кезінде жиі қарастырылатын ерекше жағдай, бұл - көп компонентті зат тасымалының гидродинамикалық құрамын бөлуге мүмкіндік беретін жылжымайтын газдардың (газ - сұйылғыш) қабаттары арқылы жүретін екі немесе бірнеше газдардың диффузиясы.
Әр түрлі көпкомпонентті қоспалармен байланысты табиғи және технологиялық процестерді қарастырғанда, біз оның негізгі масса тасымалдауын ерекшеліктерін көрсететін параметрлерді білуіміз қажет. Нақты кездесетін заттар мен құбылыстар алуан түрлі, сондықтан олардың массатасымалдауын анықтайтын коэффициенттер мәндері де әртүрлі және олар өте кең зерттеулерді талап етеді. Қазіргі уақытта көпкомпонентті қоспалардағы диффузия құбылысы алдағы уақытта әлі де терең зерттеулерді талап етеді. Оған мысал ретінде соңғы уақыттардан бері терең зерттелініп келе жатқан изотермдік үшкомпонентті газ қоспаларының диффузиясы кезінде пайда болатын механикалық тепе-теңдіктің орнықсыздығының байқалуын айтуға болады. Гидродинамикалық ағыстың диффузиялық ағысқа қосылуы әртүрлі бароэффект, керідиффузия, диффузиялық бөгет сияқты эффектілерге әкеледі, ол эффектілер тәжірибе жүзінде тұйықталған екі колбалық жүйе әдісімен зерттеледі [1].
Көптеген технологиялық схемаларды зат алмасу процесінде маңызды рөлді диффузия атқарады, мысалы: табиғи газдан аммиакты синтездеу, газ тәрізді отынның жануы. Қазіргі уақытта химиялық технологиялардың, ракеталық және авиакосмостық техникалардың өнеркәсіптік аппараттарын жасау және есептеу кезіндегі бинарлық қоспа жағдайына арналған зат тасымалдау тұрақтысы туралы білім жеткіліксіз. Зерттеу жұмыстары жабық жүйелердегі диффузия процесінің күрделі құбылыс екенін көрсетеді. Газ қоспаларының диффузияланып жатқан молекулаларының бірдей емес шапшаң қозғалысы салдарынан жабық диффузиялық аспаптардағы қысымның күрт төмендеуінің пайда болуы тұтас түрдегі газ қоспаларының гидродинамикалық ағымының пайда болуына алып келеді. Компоненттердің жалпы (жинақтық) тасымалын диффузиялық ағымдарға бөліктеу және диффузия процесінің дұрыс диффузиялық бейнесін гидродинамикалық түрде беру тек екі компонентке ғана емес, одан да көп күделі қоспаларға да арналған.
Массатасымалдау процестерін моделдеу - табиғи газдарды тазарту, бөлу, газ қоспаларын белгілі компоненттермен толықтыру - қазіргі ғылымның жаңа бағыты болып отыр. Аталған процестерде көпкомпонентті газ қоспаларыының араласуында тек молекулалық тасымалдау ғана емес конвективті тасымалдауда орын алатыны белгілі.
1 Бинарлы газ қоспаларындағы диффузиялық орнықсыздық
1.1 Қос диффузия
50-ші жылдардың ортасында "тұз фотондары" атты мұхитты графикалық зерттеулер кезінде ‹‹қос диффузиялы конвекция›› ("double diffusive convection") немесе ‹‹қос диффузия›› атты құбылыстар анықталды [1]. Мына әдебиеттерде [2-3], қазіргі уақытта қос диффузия процессі деп сипаттауға болатын құбылыстар көрсетіледі. Алайда ол кезде бақыланып отырған құбылысқа физикалық сипаттама берілмеген еді. ‹‹Бұл жұмыстың дамуы сұйық механикасының басқа облыстарына қарағанда қарқынды болмады. Бұл мұхитты графикалық ұйымдардың аз болуымен және тәжіребелік жұмыстардың болмауымен байланысты болатын.
Алғаш рет диффузиялық процесте орнықсыздықтың пайда болуын Миллер мен Мейсон үшкомпонентті газды қоспада термоэффектті зерттеу кезінде анықтаған болатын [5]. Лошмидтің диффузиялық аппаратында тәжірибелі тіркелген температура өзгерісі, газдардың бөліну шекарасына жақын жүйелер үшін тұрақсыз тербелістер күйінде көрінеді. Бірақ бірсарынды ұлғаюы болуы керек еді. Диффузиялық араласу кезінде газ қоспаларының осындай болуы, жүйенің концентрациялы орнықсыздығынан туындаған қоспаның (құрамының) тығыздық осциляциясымен түсіндіріледі. Жұмыстың авторлары өздерінің тәжірибелерінің нәтижелерінен газды қоспа компоненттерінің аномальды болуына жалпы физикалық түсініктеме береді және кейінгі басылымдарында осы сұрақты талдап көрсетеді [6]. Алайда, изотерімді көп компонентті диффузия кезінде конвективті ағындардың пайда болуы көрсетілмеді.
Көпкомпенентті газдардағы диффузия кезінде компоненттер концентрациясының тұтрақсыз тербелістері көрсетілген.
Өткен ғасырдың 60-шы жылдарынан бастап профессор Н.Д. Косовтың басқаруымен С.М.Киров атындағы ҚазМУ "жылуалмасу жане жану" лабаратория қызметкерлері көпкомпенентті газды қоспаларда диффузиялық процестерді зерттеуге кірісті. Жұмыстың мақсаты көпкомпонентті массатасымалдану процессі мен эффекттерді, диффузия коэффициенттерін есептеу әдісін жасау мен өлшеулер жүргізу болды. Тәжірибелер жүргізу кезінде екі колбалы диффузиялық аппаратта (квазистатционарлы диффузия), аппараттың жоғарғы колбасында 0.5 Не+0,5Аr бинарлы қоспа орналасқан, жоғарғы қысым кезінде р~1,01,5 МПа диффузиялық ағыннан бірнеше рет басым болатын конвективті ағындардың пайда болуы анықталады [8]. Конвекцияның пайда болуын белгілі "Тур эффекттерімен" [9; 10] немесе диффузиялық бароэффекттің әсерінен пайда болған гидродинамикалық ағынмен түсіндіруге болады [11].
Бұл ағындардың пайда болуын байланыстыру газды қоспаларының идеалдықтан ауытқымауын және олардың нақты қасиеттерін көрсетумен дәлелді түсініктеме алмады, себебі қысымның сол аймағында (1.01,5 МПа), онда конвекция әсері ерекше елеулі болған таза газдар және олардың қоспалары 2-3 % аспайтын қателігімен Менделеев-Клайперон тендеуімен сипатталады.
Мұхитта жылудың, тұздың және энергияның тасымалдануы тасымалданудың турбулентті коэффициенттерімен сипатталады. Сондықтан терең мұхитта турбулентті араласу басым болуы керек деп есептеледі. Осының әсерінен температураның градиенті елеусіз және бір-бірінен алыста таралған баромерлік бөтелкелердегі су сыналарымен дәлелденген. 60-шы жылдардың ортасында табиғи зерттеулердің нәтижелері көрінді. Бұл тығыздық және температурасының флуктуациясының терең өзгеруін үздіксіз өлшейтін жаңа құралдардың пайда болуымен байланысты. Өлшеулердің көрсетуі бойынша тұздылық және температура пішіні әрдайым тегіс болмайды, көбінесе жылдам өзгеретін градиент бөліктерінен тұрады. Калифорния жағасында алынған температура, тұздылық және тығыздық пішіндері 1-суретте көрсетілген [12].
Сурет 1. Теңіз суының тұздылығының және тығыздығының температурасының профилі
Федоров К.Н и Стоммел Х. қабаттардағы диссипацияның ықтимал уақытша масштабын және жылдамдығын бағалады. Температура өзгеруінің және тұздылығының өзара әсер етуі оларды градиенттерінің инверсиясын туғызуы мүмкін [13]. Олардың болжамы бойынша ‹‹қос диффузия коэффициенті кезінде конвекцияның әртүрлі түрін көрсетеді››. 1997 жылы инжинер-океаналог Уильмис арнаулы көлеңкеленген құралдың көмегімен Жерорта теңізі және Террнес теңізі ағысынан тұз саусақтарын тапты [14]. Егер тұздылығымен және температура айырымдарымен бірін-бірі компенсациялайтын қабат ‹‹сол тығыздықты күшті қасиетері бар›› сұйықтықпен қоршалған болса, қос диффузиялы конвекция үшін қолайлы шарттар кездесетінін бақылаудан көреміз. Егер орташа үлестірулер аномальды конвекцияның пайда болуына алып келмесе де, мысалы, Тынық мұхитының көп бөлігінде болса, онда аз температура градиенті және тұздылығы тұрақты болады. Горизонталь фулктуациялар вертикаль фулктуацияларды өзгеруінен қос диффузиямен жасайтын процестер жұмыс істеп бастауы мүмкін.
Егер температурасы тұздылығы бойынша үлкен горизонталь қарама-қарсы болса, бірақ тығыздықтың қорытынды айырмы аз болғанда күшті қабаттасу байқалады. Грегг интенсивтілігі фронттан алыстаумен азаятын инверсияларды тапты [15]. Осы бақылаулардан Хапперт пен Тернер ‹‹молекулалық эффекттер тек қабат масштабындағы қозғалыстарға ғана әсер етпейді [4], яғни вертикаль бойынша он шақты метр, су массалар арасындағы үлкен масштабты араласуында маңызды рөл ойнауы мүмкін››.
[16,17] жұмыстарында қос диффузия конвекция терминдерін түсіндіргенде жер атмосферасында және үлкен жұлдыздарда болатын атмосфералық құбылыстардың және процестердің массалары келтірілген. Ылғал ауаның масса көтерілуінің радиолокациялық бақылауларының көрсетуі бойынша жылы, құрғақ ауамен ылғал, суық ауа арасында кенет шекара байқалады [16]. Яғни суық ауаның жылы ауадан ылғал қабаттың пайда болуы, суық ауаның суық фронт айналасынан пайда болу жағдайы байқалады. Ылғалдылық және температура грдиенті бір-біріне қарама-қарсы бағытталған. Осындай таралу кезінде ылғал ауаның потенциалдық энергиясы қос диффузия конвекцясы бөлу шекарасын ұзақ ұстай алады. Бірақ қандайда бір әсерден бұл тепе-теңдік бұзылуы мүмкін, ол қуатты конвективті массатасымалдануына алып келеді.
Үлкен жұлдыздар ядрода жиналған гелиймен бай, ал ядроның сыртында жеңіл сутегі басым болады. [17] жұмыста химиялық құрамының градиенті, гелий-сутегі тығыздық градиентін туғызады және төменнен қыздыру орны бар гелий синтезі энергия бөлумен болады. Қос диффузия конвекциясы көмегімен жоғарыға гелий тасымалданатын конвнективті қозғалыс пайда болады. Осындай күйде тығыздық градиенті тұрақты болғанда температура таралуы біртекті болады. Астрофизикалық орнықсыздықтың басқа ерекшелігі жұлдыздың айналуының бұрыштық моментінің және температура градиентінің таралуы болып келеді. Осындай жүйеде дифференциалды айналудан энергия іріктеуімен орнықсыздық дамуы мүмкін. Ол бұрыш моментінің таралуында орнықсыздық тудырады.
Жанартау атқылағанда бақыланатын теңіз түбінде болған жағдай ерекше қызығушылық тудырады. Мұхит түбінде өте ыстық және тұзды сұйықтың суық суда ағып шығу кезінде осы ағынның екі бөлікке бөлінуі бақыланып біріншісі жоғарыға көтеріледі, ол ыстық және онша тұзды емес. Екіншісі жылы теңіз суымен байытылған ағыс көрсетілген бақылау шекарасымен мұхит түбімен жайылып жатыр. Уақыт өте келе кристаллизация болады және мұхит түбінде қалған құрамның тұнуы бірнеше километрге горизонталь созылады жатыр. 2-суретте осындай процестің кесіндісі келтірілген [18].
Сурет 2. Жанартаудың интрузиясының түрлі тығыздық қабаттары
Қабаттардың тұрақтылығы қос диффузия құбылысының әсерінен сұйық күйде пайда боғанын көрсетеді. Гидродинамик Хапперт және геолог Спаркстың болжамы бойынша [19] қабаттың пайда болуына жаңа магманың периодты құйылуы себепші болады. Ол құрамның айырмашылығына байланысты ағып кеткен магмаға қарағанда жылылау болады және оған қарағанда ыстық болуы мүмкін. Жаңа магма қабат тудырады, жоғары жатқан бөлу шекарасынан жылуалмасу арқасында суып қалады. Қабат жоғарыдан суый бастайды шекара үстінен зат тасымалдауы елеусіз болады, сондықтан оның ішінде оливин кристаллдары пайда болады. Жаңа және ескі магмалар қабаттарының арасында жылулық тепе-теңдік басталғанда кирсталлдар түсіп қалады да, қалған сұйықтықтың тығыздығы температура кемейуімен азаяды. Ол мұхит суының жоғарғы қабатымен араласып жоғарыға көтерілуі мүмкін.
1.2 Газдардағы диффузиялық орнықсыздық
Изотерімді үшкомпонентті газды қоспаларда диффузияны тәжәрибелік зерттеулер, олардың кейбіреулерінде белгілі шарттарда құрылымды конвективті ағындар пайда болып және олардың өзінің молекулалық тасымалдануына әсер етуі қоспаның диффузиялық орнықсыздығына (механикалық тепе-теңдік орнықсыздығы) алып келетінін көрсетті [21-22]. Диффузиялық каналда араластын газдардан тұратын конвективті ағындардың пайда болуы үшін тығыздықтыры әртүрлі екі қабат асты құрылуы керек. Тығыздығы үлкен қабат асты тығыздығы аз қабат астының үстінде орналасуы қажет. Қабат астыларының ауырлық күші өрісінде осылай орналасуы орнықсыз және кез-келген қозғалыстан орын ауыстыруы мүмкін. Сонда өте ауыр қоспа төменге ағады, ал өте жеңіл қоспа жоғарыға көтерілуге тырысады, яғни ковекция пайда болады. Бастапқы құрылған өте ауыр қоспа жеңіл қоспаға ‹‹бұрқ етуі›› де болады. 3-суретте мысал ретінде диффузиялық каналда және диффузиялық аппарат колбасында диффузиялық орнықсыздығының көлеңкеленген суреттері көрсетілген [21].
а) б)
а, б диффузиялық аппараттың төменгі және жоғарғы колбасы.
Сурет 3. 0.5143He+0.485CO2 кезінде p=1.5Па жүйесінде диффузиялық орнықсыздық процесінің көлеңкеленген суреттері, T=298К
Диффузиялық каналдың аймағында құрылымды конвективті ағындар анық көрінеді. Жоғарғы колбада диффузиялық каналды жабатын қақпақ көрінеді. Ерікті гравитациялы концентрациялы конвекцияның пайда болу себебі араласу түрін табумен, орнықсыздықтың сызықты теориясымен түсіндірілген [23; 24]
Алынған нәтижелер физикалық мағынасы бойынша жылулық конвекция кезінде орнықтылықтың бұзылуымен байланысты [23]. Бір режимнен екінші режимге ауысу шекарасын анықтауға мүмкіндік береді [24]. Изотерімді көпкомпонентті жүйелер үшін орнықтылық диффузия облысының бірсарынды және тербелмелі орнықсыздық болуы көрсетілген. Геометриясы әртүрлі каналда орналасқан кейбір газ қоспаларының орнықтылық негізіндегі теорияларына сәйкес келетін тәжірибе мәліметтерімен дұрыс салыстыруға мүмкіндік береді.
Кейбір газды қоспаларда диффузиялық орнықсыздықты зерттеу кезінде диффузиялық процестің пайда болуына және ауысу түріне әртүрлі факторлар мен қоспа параметрлері әсер етеді. Осы кезде табылған эффекттерді ғылым және техника облысында қолдануға болады. Мысалы, газды қоспаларды анықталған компоненттермен байыту
1.3 Бинарлы газ қоспаларындағы квазистационар жағдай үшін диффузиялық және конвективтік араласу процесінің сипаттамасы
Изотермдік жағдайдағы бинарлы газ қоспаларындағы өзара диффузияны сипаттау үшін Фик заңы деп аталатын келесі феноменологиялық қатынас қолданылатыны мәлім:
, (1)
мұндағы, , i - ші компоненттің мольдік үлесі, u1 - i - ші компоненттің орташа жылдамдығы, ni - осы құрамдас бөліктің сандық тығыздығы, n = n1 + n2 - қоспаның сандық тығыздығы, D12 - заттардың бірінің біреуіне өту жылдамдығын сипаттайтын өзара диффузия коэффициенті (ӨДК).
u1, u1 (2) табу үшін (1) формуласын байланыс теңдеуімен толтыру қажет [6; 7].
, (2)
мұндағы, V - қоспаның қайсыбір сипаттамалық жылдамдығы, γ1, γ2 - қайсы бір өлшемсіз коэффициенттері, сонымен қатар, γ1+γ2=1.
Өзара диффузия жағдайы кезінде жабық жүйелердегі идеал газ қоспалары үшін орташа сандық жылдамдыққа қолданылатын (2) шарт келесі түрде болады:
, (3)
мұндағы - қоспаның орташа сандық жылдамдығы.
Өзара диффузия кезінде компоненттердің молекула массаларының және олардың эффективті көлденең қимасының әртүрлілігінен молекулалар әртүрлі жылдамдыққа ие болатындығын көрсеткен еді. Осының әсерінен құрылғы колбасындағы молекулалардың таралуы байқалады. Ең жеңіл және ең тез қозғалғыш молекулалар құрылғының колбаларын біріктіретін капилярдан кері қарай қозғалатын ауыр молекулаларға қарағанда жылдамырақ өтеді, яғни молекулалардың орын ауыстыруы өзгермейді. Осының әсерінен, колбалар арасында ∆ p қысым айырмасы пайда болады. Бұл құбылыс диффузиялық бароэффект деп аталады [8-11]. Дегенмен ∆ p құрылғы колбаларындағы қысымымен салыстырғанда аз, бірақ тұтқыр режим жағдайында қысым айырымын тудыратын гидродинамикалық ағыстың жылдамдығы диффузиялық жылдамдықтармен шамалас. Сондықтан оны ескермеуге болмайды. ∆p колбадағы қысым айырымы газдардың араласу уақытына баяу релаксацияланады [6].
ол Кнудсеннің аз санынан Kn 1 колбалардағы қысым айырымының тұтқыр релаксация уақытынан көп болады [6-11].
мұндағы η - капиллярдағы қоспаның динамикалық тұтқырлығы.
Концентрация τmix және қысым τrel релаксация уақыт мәндері қатынасында Кнудсен Kn2 (Kn=λd, мұндағы λ - еркін жүру ұзындығы; d - есептің өзіндік өлшемі) санының квадрат реті бар. Егер Kn 1 болса, онда τrelτmix уақыт аралығында жабық жүйеде квазистационар диффузия режимі орнайды, сол кезде концентрацияның тиесілі градиенті астынан қысымның градиент аясын құру пайда бола бастайды. Одан кейін, араласу процесіндегі ∆ p өзгерісі τmix уақытына сәйкес болады.
Қысым градиентінің баяу өзгеруін ескермей, квазистационарлық диффузияның шартын келесі түрде жазамыз:
. (4)
Радиусы r, ұзындығы L капиллярмен [12-15] жалғанған көлемдері бірдей екі колба жүйесі үшін бірқалыпты тасымалдау келесі түрде жазылады [6]:
.
Көлемдері VI, VII (4-сурет) екіколбалы тұйық жүйеде бөлшектердің санын сақтау шарты келесідей:
, , (5)
мұндағы VI, VII- сәйкесінше түрде төменгі және жоғарғы колбалардың көлемдері, S=PIr2- диффузиялық каналдың көлденең қимасының ауданы.
Сурет 4. Екіколбалы әдістің диффузиялы ұяшығы
(1), (3) және (5) теңдеулерін бірге шеше отырып, колбадағы концентрация айырмасының t - араласу уақытынан тәуелділігін аламыз:
. (6)
мұндағы ∆c0 =cI0-cII0 - бастапқы уақыт кезіндегі концентрация айырмасы, ∆ct =cIt-cIIt - t - уақыт кезіндегі концентрацияның айырмасы.
(6) теңдеуді Ней, Армистед және Эндрюмен бір-біріне тәуелсіз алған [13].
Диффузиялық құрылғының колбаларындағы (тек каппилярда ғана емес) концентрацияның таралуын есепке алу үшін, яғни колбаның диффузиялық кедергісі үшін капиллярдың L геометриялық ұзындығынан оның эффективті мәніне Lэфф өтуін жүзеге асыру керек [6].
, (7)
мұндағы, d- капилляр диаметрі, a=0.745+-0.012.
Екіколбалық әдіс сиретілген газ үшін ғана емес, сондай-ақ температура мен қысымның үлкен интервалындағы тығыздалған газдарда диффузияны зерттеу кезінде де кеңінен қолданылады.
Диффузиялық бароэффекттің бар екеніне болжау жасаған Больцман [22] және Максвелл [23] болатын, бірақ алғаш бароэффектті 1943 жылы сутектің ауадағы диффузиясын зерттеу нәтижесінде Крамерс пен Кистемакер [24] өлшеген болатын. Тұтқыр және жылулық жылжу үшін жасаған Максвеллдің [23] есептеу әдісіне арқа сүйей отырып, Кнудсеннің кіші сандары үшін теориялық формуланы да осылар тапқан. Пуазейл ағысын ұстап тұратын ауыр газ қысымының градиенті орнағанда гидродинамикалық ағыс тұрақты болатыны болжанған еді.
Мұндағы өзара диффузия кезінде пайда болатын бароэффекттің мәні ∆p, диффузиялық жылжуды ескеріп және ескермеген шарттарда алынған [24]:
∆p=4ηD12r2lnm2m1 (жылжуды ескере отырып)
∆p=8ηD12r2lnm2m1 (жылжуды есепке алмай)
мұндағы η - капиллярдың ұзындығымен орташаландырылған қоспаның тұтқырлық коэффициенті, r - капилляр радиусы, m1, m2 - диффундирленген газдардың молекулаларының массасы.
Диффузиялық бароэффектті зерттеу көрінісі кейіннен П.Е.Суетин мен П.В.Волобуевтің [8, 9] жұмыстарында жетілдірілді. Диффузиялық бароэффектті зерттеу үшін сезімталдығы жоғары сыйымды дифференциалды микроманометр құрастырылды. Олардың негізгі элементі тігінен орналасқан диаметрі 64 мм және қалыңдығы 0,1 мм болатын бериллийлі қоладан жасалған екі гофрлы мембранадан тұрды. Қысым айырымының әсерінен мембраналардың бірі орын ауыстырылып, олардың арасындағы сыйымдылық өзгереді, мұны екінші аспап - сыйымдылықты жетілдіру өлшеуіші аспабымен өлшеуге болады.
Диффузиялық бароэффект каналдағы ағыс кезінде газдардың бөліну эффектісіне қарсы болып табылады [7]. Онзагердің арақатынастары арқылы бароэффекті зерттеу мембрананың айырғыш ерекшеліктерін анықтауға мүмкіндік береді.
Диффузиялық бароэффекті зерттеу басқа да маңызды ғылыми және практикалық мағыналарға ие. Сол себептен [7] жұмыста диффузиялық бароэффектің газдардың араласу уақытынан ∆p(t) тәуелділігіне қатысты, LR және Kn параметрлерінің кең көлемінде алынған тәжірибелі деректер келтіреді және талданады, сонымен қатар, қалпына келтіру әдістемесі ұсынылған, мәндері берілген және каналдағы газдардың бинарлық қоспасының қозғалысын сипаттайтын барлық үш кинетикалық LPP, LPD және LDD коэффициенттердің полуэмпириялық формулалары табылған.
[25] жұмыста араласудың бароэффектінің тұйық аспаптағы диффузияға ықпалы қарастырылады. Араласудың бароэффектісі деп газдардың араласуы кезіндегі диффузиялық аспаптағы қысымның өзгеруі түсіндіріледі. [26, 27] жұмыстарында газдардың араласуындағы бароэффектінің тәжірибелік зерттеулері толық берілген. Өлшеу принципі бойынша өзара капиллярмен жалғанған көлемдері V1 және V2 болатын екі ыдыс қысымы бірдей болғанша зерттеліп отырған газдармен толтырылып, термостатқа орналастырылған. Толық орын араласудан кейін қоспа қысымы бастапқыдан өзгеше мәнге ие болады. Көлем ∆p=pсм-p0 араласудың барикалық изохорлы-изотерімдіқ эффектісі болып табылады.
[28] жұмыс авторының ойынша, газдардың араласуындағы бароэффектінің пайда болуының себебі, көлем бірлігінде бастапқы уақыт бірлігіне қарағанда газдардың жиынтығында қалыптасқан молекулалардың соқтығысу сандарының өзгерісі болып табылады. Ал соқтығысу сандарының өзгеруі өз кезегінде, автордың ойынша, қоспада бірінші және басқа газдардың молекулалары арасында әр түрлі молекулааралық қарым-қатынас пайда болуымен түсіндіріледі.
[27] зерттеу нәтижесі бойынша корреляциялар қанық сызыққа жақын газдардың идеалдықтан ауытқуы ерекше айқын байқалатын аудандарда 15%-ға дейін жеткенін көрсетеді.
Стационарлы емес өзара диффузия келесі теңдеулер жүйесімен сипатталады:
, (8)
, (9)
мұндағы әр компоненттің ағысы лабораториялық есеп жүйесінде екіге бөлінген: есептің ортасандық жүйесіндегі диффузиялық ағыс және гидродинамикалық қосынды түрінде ортасандық жылдамдығы w0 болатын ағыс.
(8), (9) теңдеулері жалпы бөлшек санын және әр компоненттің бөлшек санының сақтау заңының мағынасын білдіреді. Олар феноменологиялық теория шеңберінде алынуы мүмкін, бұл нақты газдарға қолдану аумағын кеңейтеді. Бірқалыпты жағдайда пайда болған қоспаның нақты еместігін ескере отыра олар [30, 31] көрініс табады:
(10)
,
мұндағы , - диффузияланатын компонеттердің мольдік үлесі, , - парциалдық мольдік көлемдер [2].
Dv=D1V2c2+D2V1c1 (11)
мұндағы DV - өзара диффузия коэффициенті.
Идеал қоспаларда (10) теңдеуін едәуір жеңілдетеді және Dv=D12 анықтау үшін осы теңдеуді қолдануға мүмкіндік береді.
[32] бойынша араласу эффектілері қоспалардың идеал еместігінің макроскопиялық өлшемі болып табылады. [33] көрсетілгендей (10) теңдеуінің оң жақтағы екінші мүшесін тәжірибедегі концентрация айырмасы жеткілікті аз болса, реал қоспа жағдайында ескермеуге болады.
Егер өзара диффузия коэффициенті D12 концентрациядан тәуелсіз болса немесе тәжірибеде концентрацияның аз айырмасы зерттелсе, онда Фиктің екінші заңын сызықты біртекті екінші қатарлы теңдеу ретінде жазуға болады:
. (12)
Қалыпты жағдайдағы шарттардағы газдар үшін өзара диффузия коэффициентінің концентрациялық тәуелділігі әр түрлі әдістермен [34-41] зерттелген және 0-ден 1-ге дейін концентрацияның өзгеруінде 8-15%-ды құрайды. Жоғары қысым кезінде концентрациялық тәуелділіктің сипаты өзгереді [42-44], сондықтан (12) теңдеуінің концентрацияның кең көлемінде қолданылуы барлық жағдайда дәлелді емес.
1.4 Газ қоспаларында механикалық тепе-теңдік орнықсыздығының жалпы теңдеулері
1916 жылы Рэлей [57] негізін қалаған жылулық гравитациялық конвекциялардың пайда болуымен байланысты есептер үшін орнықтылық теориясының негізгі жағдайы, біркомпонентті сығылмайтын сұйық немесе газ үшін Г.З. Гершуни және Е.М. Жуховицкий [58, 59] ұсынған жұмыстарда айтылған және Л.Д. Ландау және Е.М. Лифшиц [60], С.Чандрасекхар [60], Д. Джозеф [59, 60], И. Джалурия [57] және басқалардың [45-60] жұмыстарында талқыланады. Онда сұйықтың екі немесе одан да көп компоненттен тұратын жағдайы да қарастырылған.
Біртекті сұйықтың немесе газдың макроскопиялық ағысын сипаттайтын гидродинамика теңдеулер жүйесі Навье-Стокстың қозғалыс теңдеуінен, жылуалмасу теңдеуінен және үздіксіздік теңдеуінен тұрады [58]:
, (13)
, (14)
, (15)
мұндағы - жылдамдық, p - қысым, ρ - тығыздық, T - абсалюттік температура, s - сұйықтық немесе газ массасының бірлік энтропиясы, D - диссипативтік функция, - ауырлық күшінің үдеуі, η және ξ - сәйкесінше жылжымалы және көлемдік тұтқырлық коэффициенттері, χ - температура өткізгіш коэффициенті ((13), (14) теңдеулері η, ξ және χ коэффициенттері тұрақты деген болжаммен жазылған).
(14 - 15) теңдеулер жүйесін күй теңдеуімен толықтырып,
, (16)
температураның біртекті еместігімен туындайтын, тығыздықтың кеңістіктік біртекті еместігінен пайда болатын ауырлық күші өрісіндегі газ қозғалысын сипаттауға болады. Осы жағдайда, яғни ортаның сығылғыштығы мардымсыз және η, ξ және χ коэффициенттері температураға тәуелсіз болса, онда аз ауытқулар әдісі шеңберінде Буссинесктің [55-60] жуықтауын [58] қолдана отырып аталған теңдеу жүйесін жеңілдетуге болады.
(14) - (15) теңдеулер жүйесін ұйытқу шамалары үшін жазамыз , мұндағы және - қысым мен температураның кейбір тұрақты орташа мәндері, ал және - ұйытқулар (кішімен болжамдалған, соның ішінде олардың әсерінен болған тығыздықтың орташа мәннен ауытқуы қарағанда кіші). Онда термодинамикалық қатынастарды [18] есепке ала отырып, екінші ретті жуықтау мүшелерін елемей, (14) - (15) теңдеулерін ұйытқу шамалары үшін келесі түрге келтіруге болады (штрихтар түсірілген):
,
, (17)
,
мұндағы - кинематикалық тұтқырлық коэффициенті, - тігінен жоғары бағытталған бірлік вектор, .
(17) жүйесін өлшемсіз түрге келтіру барысында келесі өлшемсіз параметрлерді алуға болады (критериалды сандар):
- Прандтл саны;
- Грасгоф саны;
- Рэлей саны;
мұндағы r - есептің сипаттама сызықтық өлшемі.
Көрсетілген параметрлер еркін конвективті қозғалыстың ұқсастық критериін береді. (17) жүйесі кіші стационарлы емес ауытқуларды (сызықтық жақындатуда) бейнелейді және экспоненциалды заң бойынша уақытқа тәуелді жеке шешімдерге ие (қалыпты ауытқу деп аталатын):
, (18)
мұндағы λ - ауытқудың уақытша жүрісін анықтайтын сипаттамалық параметр (декремент). (17), (18) теңдеулерінің көріністерінен олар өз мағынасы жайлы есепті анықтайтынын бекітуге болады. Меншікті сандар - қалыпты ауытқулар декременті λ болып табылады, ал меншікті функциялар - сәйкес амплитудалар. Яғни, (17), (18) белгілі геометрияда тұрақты орнықтылық жүйесінің қалыпты ауытқулар спектрін сипаттайды [49, 50, 55, 58, 59, 60].
Уақыт бойынша қалыпты ауытқулардың өзгерісі көбейткішке байланысты exp[−λ t]. Егер λ декременті нақты болса, онда ауытқулар λ нөлден үлкен немесе кіші болғанына байланысты бірыңғай сөнеді немесе бірқалыпты өседі [58]. Егер λ декременті комплексті болып табылса, онда оны түрінде бейнелеуге болады. Бұл жағдайда ауытқулар декрементінің жорамал бөлігімен тең жиілікпен осциллияланады, ал осциллияландыратын аукытқулардың өсуі (өшуі) заттық бөлшегі белгісімен анықталады. Сәйкесінше, шарты осы және басқа да ауытқуларға байланысты тұрақтылықты жоғалтуды анықтайтын Рэлей санының критикалық спектрін алуға мүмкіндік береді.
Тұрақты стационарлы жағдай үшін барлық қалыпты ауытқулардың декременттерінің нақты бөліктері нөлден үлкен болуы керек. Егер спектрде нақты декремент бөлігі нөлден үлкен қандайда бір ауытқу табылса, онда бұл осы ауытқуға қатысты стационарлы жағдайдың тұрақсыздығын білдіреді [58, 59, 60].
[58, 59, 60] гравитациялық алаңда орналасқан бірыңғай сұйықтық немесе газдардың жылу конвекциясының пайда болуы, температураны үлестірудің бірқалыпты емес жағдайында ғана мүмкін екені көрсетілген. Архимед күшімен ескерілген конвективтік ағыс, тек дұрыс тығыздық градиенті
() кезінде ғана пайда болатынын байқауға болады.
Мысал ретінде Рэлей-Бенар есебін [57, 58] қарастырайық. Параллель жазықтықтармен шектеулі сұйықтықтың немесе газдың көлденең шексіз қабаты болсын , (d қабат қалыңдығы бұл жағдайда сызықтық масштаб болып табылады). Қоспаның күйі тұрақты болуы үшін, сызықтық заң бойынша темпуратура тек z тік координатына тәуелді болуы қажет:
. (19)
Сонда қабаттың барлық нүктелерде температуралық градиент тік және нақты мағынаға ие
. (20)
(20) ауытқу теңдеу жүйесін келесі масштабтарға байланысты өлшемсіздендіреміз: арақашықтық - d, уақыт - , жылдамдық - , қысым - және температура - .
Сонда бұл теңдеулер жүйесі мынандай көрініс табады:
,
, (21)
.
Навье-Стокса теңдеуіне rotrot операциясын қолданып және алынған векторлық теңдеуді z осіне жобалай отырып, p∇ қысымының градиентін және жылдамдықтың көлденең компоненттерін , құрайтын мүшелерін (32)-ден шығарамыз [58]. Бірнеше өзгерістерден кейін (32)-ті тік жылдамдық пен T температура ауытқуы үшін екі теңдеу жүйесіне қосамыз:
(22)
мұндағы - лапласиан.
Шекаралық шарттар қабаттың шекараларында жылдамдықтың, жанама кернеудің (қабаттың шекаралары еркін) және температура ауытқуларының болмағандығын болжайды. Одан басқа, қабаттың шекаралары жалпақ деп болжамдалады(яғни пайда болған конвекциялық ауытқулар шекараның қисықтануына келтірмейді). Демек, біз шекаралық шарттар жүйесіне ие боламыз:
және болғанда, , , . (23)
(22) шешімі (23) есепке алғанда мынадай көрініс табады [58]:
(24)
мұндағы U және и - ұйытқулар амплитудалары, - ұйытқулар модасы, және - ұйытқулардың x және у бағыттары [58] бойымен мезгілдігін айқындайтын толқындық сандар.
(24)-ті (22)-те елестете отырып, λ декременті және ұйытқу амплитудаларына қатысты теңдеу жүйесін аламыз:
мұндағы . U мен и алып тастап, түбірлері декременттер мағынасын беретін λ қатысты бұл есепті квадраттық теңдеуге алып келеміз:
(25)
Егер (тығыздықтың градиенті оң, бұл төменнен қызуға сәйкеседі), онда түбір астындағы өрнек нөлден үлкен, сондықтан ауытқулар бірыңғай. үшін түбір әрдайым оң. R өсуімен түбірі кішірейеді және белгілі мағынада тұрақсыздық тудыра отырып теріс болады. (36)-да деп, Рэлейдің критикалық санын анықтаймыз
(26)
жағдайы жоғарыдан қызуға келеді. Белгілі дейін ғана ауытқулар бірыңғай болады. Кейін модуль бойынша R ұлғайғанына байланыста түбір астындаға мағына теріс болады және комплексті-түйіндес декременттер пайда болады. (25) жағдайындағы сияқты, Рэлейдің критикалық санын табу үшін, (26)-дағы түбір астындағы өрнекті нөлге теңестіру қажет, яғни
(27)
Бұл ретте декременттің нақты бөліктері оң және сол себептен тербеліс ауытқулар өшеді.
(25) - (27) есептерін талдауынан конвекциянің туындауы тығыздықтың оң градиенті жағдайында ғана ықтимал екенін көрсетеді. Сондай-ақ шарты бойынша жоғарғы колбадағы газдың тығыздығы төменгідегінің тығыздығанан белгілі бір көлемде көп болуы қажет. Бұл тұтқырлық кедергісін және конвекциялық ағыстарда қалыптасатын жылу алмасуды жеңу үшін тығыздықтардың айырымы керек дегенді білдіреді. Егер , онда жүйе төменнен қызуына қарамастан, конвекция туындамайды.
2 механикалық тепе-теңдіктің бұзылуын ТӘЖІРИБЕЛ1К ЗЕРТТЕУ
2.1 Екіколбалық әдіс
Газдардағы диффузиялық және конвективті араласуын зерттеу үшін екіколбалық әдіс қолданады. Бұл әдіс кысым, температура және концентрацияның кең аумағындағы газ қоспаларының тасымалдау қасиеттерін (мысалы, ӨДК-ны өлшеу үшін, термодиффузия коэффиценттерін анықтау үшін, диффузиялық турақсыздықты зерттеуде және т.б.) анықтау үшін пайдаланылады [42, 29, 43].
Біздің зерттеуімізде екіколбалы диффузиялық аппараты диффузия -концентрациялы гравитацияльқ конвекция тасымалын және бip колбадан екіншісіне диффузияланған компонент санының қысым, компоненттердің бастапқы концентрациясы, аппарат колбасындагы қоспалардың араласуы сияқты параметрлерге тәуелділігін анықтау үшін пайдаланылды. Тәжірибелер 0,2 МПа - дан 2,1 МПа қысымда және бөлме температурасында жүзеге асырылды.
Екіколбалы әдістің құрылғысы екі бөліктен тұрады.
Бірінші бөлік - газдарды дайындау блогы, 3-сурет. Ол колбадағы қысымды өлшеуге арналған екі манометрден 12 (бiз дәлдік класының шегі 0,4-ке тең манометрлерді пайдаландық), диффузиялық аппараттың колбаларындағы қысымды тепе-тең күйге келтіретін ыдыстан 13 (колемі колбаның көлеміндей), сонымен бipгe А және Б баллондарынан алынатын газ қоспаларымен сәйкес аппарат колбаларын толтыруға арналған инелі бұрандалардың (кран) жиынтығынан 1-10 тұрады. Манометрлер арнайы жасалынған мембраналық бөлгіштермен 11 жабдықталды. Олар сәйкес колбаның монометрінің толық көлемін бөліп тұрады. Осылайша бұл бөлгіштер зиянкес сыйымдылықтардың әсер етуін тоқтатады.
Екінші бөлігі - көлемдері және болатын екі ыдыстан тұратын диффузиялық аппарат. Колбалар өзара бip шетінде мөлдір қабырғасы бар саңылаулы диффузиялық каналмен 15 байланысқан. Бұл жағдай молекулалық немесе конвективті араласу процестерін көру арқылы бақылауға мүмкіндік береді [4]. Каналдың геометриялық өлшемдері .
Диффузиялық каналдың геометриялық параметрлерінің массатасымалдануы сипатына әсерін зерттегенде канал өлшемі өте кішкентай жұқа қалқаншамен тең екі бөлікке бөледі. Бұл қалқанша каналдың бip бөлігін толығымен жабады. Диффузиялық каналы бар блок латуннан жасалған. Мысты фольгадан (қалыңдығы 0,1 мм) жасалынған бөлгіш пластина каналда эпоксидті смоламен жабыстырылған.
А,Б - газ баллондары ; I-газдарды дайндау блогы; II- екіколбалық аппарат;
1-10 ˗ крандар; 11- мембраналық бөлгіштер; 12- үлгілі манометрлер; 13- теңдестіруші ыдыс; 14-төменгі колба; 15- диффузиялық канал; 16-жоғарғы колба; 17-фторопластты таблетка; 18- шток; 19-бұрғы.
Сурет 5. Екіколбалық әдіс құрылғысының тәжірибелік cұлбасы
Рисунок 11 - Схема экспериментальной установки двухколбового метода
2.2 Араласу процесінің визулизациясы
Аномальды диффузиялық араласу пpoцeci интенсивтілігі әртүрлі конвективті ағыстармен сипатталады. Оларды әртүрлі әдістердің көмегімен -катрометрлі [44] немесе визуалды бакылаумен [45] тipкeyre болады. Конвективті ағыстардың визуализациялау әдістерінің ең көп таралған түрі-көлеңкеленген әдіс. Бұл әдіс жарықтың сыну көрсеткішінің температуралық тәуелділігінне негізделген. Жылулық конвекция құбылысын зерттегенде бұл әдіс температура мен қысымның ауқымды аймағында сұйық және газ тәрізді орталарда пайдаланылды [46, 47]. Суық төмен түсетін өте тығыз ағындар жарықты фокустайды және экранда ашық түсті болып көрінеді, ал жылы тығыздығы аз жоғарылайтын ағындар шашыратушы линзалар сияқты қара түсті бейнелерді береді.
Көпкомпоненті қоспаларда конвективті ағыстар визуализациясымен байланысқан изотерімді концентрациялы конвекция жағдайы үшін әдістері айтарлықтай аз. Конвективті құрылымдардың пайда болу динамикасымен және қалыптасуымен байланысты ақпараттарды беретін әдістерге назар аударамыз. Миллер, Мейсон және Сперлинг [48] зерттеп отырған жүйеге арнайы қосымшалар қосу арқылы, газдарда көпкомпонентті диффузия кезінде қоспаның механикалық тепе-теңдік орнықсыздығын зерттеу әдісі ретінде визуализацияны қолданды. Бұл келесі түрмен жүзеге асады. Үшкомпонентті газды қоспасының диффузиясы кезінде диффузиялық ұяшықтың бір бөлігіне бір пайыз NH3, ал басқа бөлігіне бір пайыз НСL қосылады. Зерттелетін қоспалардың араласуы кезінде NH4CL жұптары пайда болады. Олар арнайы қондырғылар көмегімен экранда проекцияланады, одан фото және бейне түcipyre болады. Бұл әдістің кемшілігі диффузиядан кейін газ қоспаларының химиялық реакцияның жанама өнімдерінің пайда болуынан дұрыс талдауының болмауы. Сонымен қатар, бұл әдісті тек анықталған газдар үшін қолданады. [39] жұмыс авторлары алғаш рет компоненттердің парциалды ағындарының сандық өлшемдерін және құрылымды ағыстардың бір мезгілде визуалды анықтауымен байланыстыруын шешті. Жылулық конвекция есептері үшін әдетте колданылатын шлирен-әдісті визуализация үшін қолданды. Арнайы бақыланатын терезелерімен айқын диффузиялық каналы (6-сурет) бар екіколбалы аппарат түрінде диффузялық ұяшық жаратылды [20]. [19, 20] жұмыстарындағы өлшеулер көрсеткендей, компонеттердің парциалды ағынының санаулы өлшеулері құрылымды ағыстардың визуалды акпараттарды параллельді түсіндіруі мен толықтырылады.
[37] жұмысында да осыған ұқсас амал қолданды. Онда диффузиялық көпір шарттарында конвективті режим визуализацияланады. Механикалық тепе-тендік орнықсыздығымен байланысты зерттеулерді жүргізу үшін тәжірибеге конструктивті өзгерістер енгізілді [17]. Олар шағын көленкеленген құралда, стационар-ағынды және екіколбалы әдісінің диффузиялық ұяшығында өзінің көрінісін тапты [7].
1
2
3
4
1-жоғарғы колба; 2-төменгі колба; 3-диффузиялық канал; 4-бақыланатын терезе.
Сурет 6. Масса алмасу процестерін визуалды зерттеуге арналған
екіколбалы аппарат.
Жарық сүзгісінің, конденсорлы линзадан, саңылау және қорғаныш шынысы бар бастапқы объективтен туратын оптикалық жүйе О, зерттелетін ортадан өтетін параллель жарық түйінін қалыптастырды. Қабылдау объективінің және линзаның фокальды жазықтықтығында, жарық көзінің S суретін анықтайтын оптикалық жүйелер 02, О, экранда объект суретін қалыптастырады.
5
1
2
7
6
4
3
1 - екіколбалы аппарат; 2 - жарық көзі 3 - конденсорлы линза; 4 - бастапқы объектив; 5 - қабылдағыш объектив; 6 - окуляр; 7 - швеллерлы балка.
Сурет 7. Газды қоспаларда конвективті араласуын визуальды зерттеу үшін тәжірибелі қондырғы.
Егер объективтің фокальды жазықтығында (оптикалық ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz