Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по геологии-минералогии
Моделирование тепломассообменных процессов в мерзлых породах с подвижной ледовой компонентой
Автореферат докторской диссертации по геологии-минералогии
|
Страницы: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТАВо второй части параграфа дается обоснование метода и приводятся простые примеры его применения.
В шестом параграфе получены явные значения коэффициентов переноса бипористой среды, мелкопористый элемент которой обладает осмотическими и электроосмотическими свойствами.
Показано, что потоки через грани ячейки связаны с термодинамическими силами общим соотношением:
а (19)
Методом анизотропной проводимости получен явный вид C-коэффициентов. Соотношениe (19) является общим для ячеек с бесконечной и нулевой горизонтальной проводимостью. Отличие между двумя асимптотиками находит отражение в конкретных значениях коэффициентов переноса. Непосредственная проверка подтверждает выполнимость соотношений взаимности Онзагера для рассматриваемой гетерогенной среды с фазовыми переходами.
Глава 3. Тепломассообменные свойства бипористой среды, насыщенной раствором неэлектролита
В данной главе рассмотрены две системы: лед с пористыми частицами (з1) и пористая среда с макровлючениями льда (з2). Для каждой из систем дана постановка задачи и приводится ее решение. Далее более детально изложены результаты второго параграфа.
Мелкопористая составляющая среды не обладает осмотическими свойствами, т.е. в системе (2) остаются два уравнения (первое и последнее) при kps = 0, kpe = 0, kse = 0. Тем не менее для среды в целом, как результат движения льда, осмотический коэффициент оказывается отличным от нуля.
Количество компонентов раствора равно двум - вода и растворенное вещество. Граничные условия (14) на поверхности раздела лед - мелкопористая среда упрощаются и принимают следующий вид:
(20)
,а (21)
Задача решается аналитически методом анизотропной проводимости, который дает границы области возможных значений коэффициентов переноса.
Как результат решения задачи получен явный вид коэффициентов переноса и исследовано влияние различных факторов на тепломассообменные свойства рассматриваемой среды. В общем случае коэффициенты переноса зависят от доли льда в ячейке, коэффициентов теплопроводности элементов среды, коэффициента гидропроводности мелкопористой составляющей, концентрации раствора и коэффициента диффузии растворенного вещества. Ниже приведены теплопроводящие, осмотические и термоосмотические характеристики мелкопористой среды с включениями льда.
Величина эффективного коэффициента теплопроводности в зависимости от доли льда в ячейке, коэффициента гидропроводности мелкопористой среды и концентрации раствора представлена на рисунках 3 и 4.
В реальных системах - мерзлых грунтах - движение льда относительно грунтовых частиц происходит вблизи температуры начала замерзания. Косвенным подтверждением этому могут служить экспериментальные зависимости коэффициента теплопроводности мерзлого грунта от температуры. Вблизи температуры начала замерзания или конца оттаивания характер зависимости немонотонный, значение коэффициента теплопроводности грунта достигает в этой области максимальной величины [Комаров, 2003].
Осмотические свойства характеризуются коэффициентом осмоса s, который определяется из условия JV = 0 и представляет собой коэффициент пропорциональности между перепадом давления жидкости и осмотическим давлением:
Dp = sRgTDcs
где Rg - универсальная газовая постоянная.
На рис. 5 приведены зависимости величины осмотического коэффициента ячейки sb от концентрации при различных коэффициентах гидропроводности мелкопористой части среды.
Для характеристики массопереноса под действием градиента температуры при нулевых значениях градиентов концентрации и давления вводится термоосмотический коэффициент c, акоторый устанавливает линейную связь объемным потоком жидкости и градиентом температуры:
Для большинства талых пористых материалов с размерами пор ~100 A величина коэффициента имеет порядок c0 = 10-10 м2/с. На рис. 6 приведены графики относительные значения термоосмотического коэффициента dc = c/c0 мерзлого образца в зависимости от концентрации раствора. Теоретическое значение термоосмотического коэффициента по порядку величины совпадает с экспериментальным, полученным для мерзлого грунта [Perfect, Williams, 1980].
Представленные в данной главе результаты на примере модельной бипористой среды с включениями льда показывают, что потоки тепла и массы выражаются через всю совокупность термодинамических сил.
Подтверждена выполнимость постулата Онзагера о симметричности перекрестных коэффициентов для системы с фазовыми переходами: пористая среда - лед - водный раствор.
Показано, что перекрестные эффекты есть следствие режеляционного движения льда.
Величина недиагональных коэффициентов переноса в пористой среде с фазовыми переходами может на порядки превысить значения аналогичных параметров системы без фазовых переходов.
Степень влияния примеси на тепломассообменные свойства зависит от коэффициента диффузии и концентрации. При коэффициенте диффузии, равном 10-10 м2/с растворенные вещества проявляют себя в тепломассообменных процессах, начиная с достаточно малых концентраций (~0,001 моль/л).
Глава 4. Тепломассобменные свойства бипористой среды, насыщенной бинарным раствором электролита
В настоящей главе представлены результаты исследования тепломассообменных свойств двух разновидностей бипористой среды: лед с пористыми частицами (з1) и пористая среда с макровключениями льда (з2).
Вследствие существования в растворе подвижных зарядов - анионов и катионов, образующихся при диссоциации молекулы электролита, рассматривая система приобретает электрические свойства. Процессы переноса в таких системах приводят к различным электрическим эффектам, в основе которых лежат два относительно независимых механизма: диффузионный и двойной электрический слой.
Диффузионный механизм связан с различием коэффициентов диффузии анионов и катионов и проявляет себя даже в объемных растворах, как появление разности электрических потенциалов в растворе электролита переменной концентрации (диффузионный потенциал). Этот механизм определяет электрические свойства пористых сред с малой удельной поверхностью.
Механизм двойного электрического слоя основан на пространственном разделении анионов и катионов раствора вблизи поверхности минерала и обнаруживает себя в мелкодисперсных пористых средах. Отличие подвижности ионов двойного электрического слоя от подвижности ионов в объемном растворе - причина таких перекрестных эффектов как электроосмос или потоковый потенциал.
Для каждой разновидности бипористой среды приведена постановка задачи, изложено ее решение методом анизотропной проводимости и получен явный вид коэффициентов переноса. При анализе влияния различных факторов на тепломассообменные свойства системы действие второго механизма можно исключить, полагая в системе (6) - (8) коэффициенты Kos и Ke равными нулю.
Далее изложены результаты, относящиеся только к пористой среде с включениями льда.
Эффективная теплопроводность открытой ячейки.В открытой системе положим перепады давления, электрического потенциала и концентрации на гранях ячейки, равными нулю (p1 = p2;j1 = j2; cs1 = cs2). При этом через образец возможен поток вещества. Выражение для эффективного коэффициента теплопроводности открытой системы 
аследует из выражения (19)
аа (24)
На Рис. 7 приведены зависимости коэффициента теплопроводности ячейки в зависимости от концентрации. Теплопроводящая способность среды уменьшается с падением гидропроводности мелкопористой части среды. Влияние концентрации раствора на коэффициент теплопроводности начинает сказываться при более высоких значениях cs по сравнению с аналогичной зависимостью (Рис. 4) для среды, не обладающей осмотическими и электроосмотическими свойствами.
Эффективная теплопроводность закрытой ячейки.В закрытой системе поток вещества через границу равен нулю (JV = 0; Je = 0; Js = 0). Соотношение (19) представляется в следующем виде:
(25)
где 
а - матрица C-коэффициентов переноса.
Умножение выражения (25) на обратную матрицу 
аи несложные преобразования дают явный вид коэффициента теплопроводности 
а(Рис. 7)а закрытой ячейки пористой среды с включениями льда:
(26)
Сравнение Рис. 7 и 8 показывает, что теплопроводящие свойства среды в условиях закрытой системы всегда ниже, чем в условиях открытой системы.
Влияние осмотических свойств мелкопористой среды на теплопроводящие свойства бипористой среды с включениями льда весьма существенно в области высоких концентраций порового раствора (Рис. 4 и 7).
|
Страницы: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по геологии-минералогии