Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
на правах рукописи
ГАЛИМБЕКОВ АЙРАТ ДАМИРОВИЧ
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ С ПОЛЯРИЗУЮЩИМИСЯ СРЕДАМИ
01.04.14. Теплофизика и теоретическая теплотехника.
АВТОРЕФЕРАТ
на соискание ученой степени доктора
физико-математических наук
Научный консультант -
доктор технических наук
профессор Ковалева Л.А.
Уфа - 2007
Работа выполнена в Башкирском государственном университете
Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Ковалева Лиана Ароновна
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор
Лежнин Сергей Иванович
доктор физико-математических наук, профессор
Кислицын Анатолий Александрович
доктор физико-математических наук, профессор
Мигранов Наиль Галиханович
Ведущая организация: Институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова
Защита диссертации состоится ______________ 2007 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.013.04 в Башкирском государственном университете по адресу: 450057, г.Уфа, ул. Фрунзе, 32, физический факультет, ауд. 216.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Башкирского государственного университета.
Автореферат разослан л____ __________ 2007 г.
Ученый секретарь
Диссертационного совета Д 212.013.04
доктор физико-математических наук,
доцент Шарафутдинов Р. Ф.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
В последние годы возрос научный интерес к проблемам взаимодействия электромагнитных полей с веществом, причем, особый интерес представляет исследование воздействия на различные среды мощных высокочастотных и сверхвысокочастотных электромагнитных полей (ВЧ и СВЧ ЭМП). Этот интерес обусловлен перспективностью применения электромагнитного воздействия в наукоемких отраслях производства в целях интенсификации технологических и физико-химических процессов и управления ими путем непосредственного воздействия на рабочую среду. ВЧ и СВЧ технологические процессы получили широкое применение и распространение в различных областях промышленности: химической, в машиностроении, пищевой, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной, медицинской и др. Примерами таких применений электрических и магнитных полей являются технологии разделения составляющих неоднородной среды, а также разнообразные применения ВЧ и СВЧ ЭМП в технологических процессах нагрева и термообработки, сушки, размораживания и т. д.
В отличие от существующих методов воздействия на сплошную среду ВЧ и СВЧ ЭМ воздействие обладает рядом преимуществ. Так, во-первых, электромагнитные волны распространяются до полного затухания на достаточно большие расстояния вглубь объекта воздействия, и речь может идти о различных электрогидродинамических явлениях и управлении ими в глубинах рабочей среды. Во-вторых, при воздействии на материальные среды ВЧ и СВЧ ЭМП в среде за счет диссипации энергии электромагнитного поля в тепло возникают распределенные источники тепла. Значение плотности тепловых источников определяется видом (геометрией) распространяющейся в среде электромагнитной волны и диэлектрическими свойствами среды. Таким образом, при заданной геометрии волн для данной среды, изменяя частоту ВЧ и СВЧ ЭМП, возможно осуществление управляемых процессов взаимодействия ЭМП со средой (например, нагрев на заданную глубину).
Кроме того, известно, что воздействие ВЧ и СВЧ ЭМП, в отличие от квазистационарных ЭМП, обладает характерными особенностями:
1. Период изменения ВЧ и СВЧ ЭМП обычно намного меньше характерного времени задачи.
2. Частоты ВЧ и СВЧ ЭМП не ограничены условием малости по сравнению с частотами, характерными для установления электрической и магнитной поляризации, то есть, когда имеет место дисперсия диэлектрической и магнитной проницаемостей.
3. Из-за дисперсии, электромагнитная часть тензора напряжений является несимметричной и поэтому необходимо учитывать дополнительную - вращательную степень свободы. Учет вращательных степеней свободы связан с радикальным видоизменением и обобщением уравнений гидродинамики, так как момент импульса единицы объема реальной жидкости не сводится, вообще говоря, к одному лишь внешнему (или, как его часто называют механическому) моменту импульса , связанному с трансляционным движением, но и содержит еще и внутренний момент импульса , обусловленный собственным вращением частиц - носителей скрытого вращения, в качестве которых могут выступать сами молекулы среды или посторонние включения.
Таким образом, воздействие ВЧ и СВЧ ЭМП на сплошные среды качественно отличается от воздействия квазистационарных ЭМП и требует принципиально нового подхода к исследованию данных систем.
Вопросы, эффекты и особенности взаимодействия ВЧ и СВЧ ЭМП с различного рода средами составляют новое направление - высокочастотную электромагнитную гидродинамику (ВЧ ЭМГД). Ее теоретическую базу составляет взаимосвязанная система уравнений электродинамики, термодинамики и гидродинамики. Несмотря на разнообразные применения воздействия ВЧ и СВЧ ЭМП, теория этого вопроса применительно к рабочим средам, которые на практике в большинстве случаев представляют собой многофазную, многокомпонентную среду остается мало изученной.
Целью данной диссертации явилось:
Развитие нового направления исследований - высокочастотной электромагнитной гидродинамики (ВЧ ЭМГД) для поляризующихся дисперсных систем с учетом химических реакций, поверхностных явлений и адсорбционных процессов в пористой среде.
Задачи исследований:
1. Построение теории, анализ и обоснование системы уравнений, описывающих термо- и гидродинамические явления в многокомпонентных поляризующихся системах при воздействии ВЧ ЭМП с учетом химических реакций.
2. Использование построенной теории для исследования влияния ВЧ ЭМП на процессы фильтрации многокомпонентных взаиморастворимых углеводородов с учетом адсорбционных процессов.
3. Теоретическое исследование влияния электромагнитных полей на поверхностное натяжение полярных жидкостей.
4. Изучение влияния ВЧ ЭМП на реологию дисперсных систем (разбавленных суспензий).
Научная новизна:
1. Построена феноменологическая теория и получена система уравнений, описывающих термо- и гидродинамические явления в многокомпонентных поляризующихся системах при воздействии ВЧ ЭМП с учетом химических реакций.
2. Получен обобщенный закон действующих масс Гульдберга и Вааге на случай воздействия на многокомпонентную среду ВЧ ЭМП и исследовано влияние поля на константу химического равновесия и на скорость химических реакций.
3. Выводится и анализируется система уравнений, описывающая фильтрацию многокомпонентной среды при воздействии ВЧ ЭМП с учетом адсорбционных процессов (в том числе обобщенный закон Генри на случай воздействия на среду ВЧ ЭМП) и рассмотрена задача фильтрации углеводородной смеси в однородном ВЧ ЭМП с учетом конвективно-диффузионных и адсорбционно-десорбционных процессов.
4. Обнаружен эффект анизотропии коэффициента поверхностного натяжения относительно ориентации вектора напряженности электрического поля к поверхности жидкости.
5. Получены выражения для эффективной сдвиговой вязкости суспензий для случая малых и произвольных ВЧ ЭМП.
Практическая ценность работы
Термо- и гидродинамические эффекты, исследованные в данной работе, могут быть использованы в целях управления различными технологическими процессами.
В работе защищаются следующие положения:
1. Система уравнений, описывающая термо- и гидродинамические эффекты в многокомпонентных системах с химическими реакциями при воздействии на них ВЧ ЭМП.
2. Эффекты влияния ВЧ ЭМП на прямые процессы диффузии, теплопроводности и перекрестные эффекты Соре, Дюфура, а также влияние ВЧ ЭМП на константу химического равновесия (выражение для обобщенного закона действующих масс Гульдберга и Вааге для случая воздействия ВЧ ЭМП на многокомпонентную среду) и на скорость химических реакций.
3. Система уравнений, описывающая фильтрацию многокомпонентной среды при воздействии ВЧ ЭМП с учетом адсорбционных процессов.
4 Эффекты влияние ВЧ ЭМП на адсорбционные процессы при фильтрации многокомпонентных сред в пористой среде.
5 Явление анизотропии коэффициента поверхностного натяжения полярной жидкости относительно ориентации вектора напряженности электрического поля к поверхности жидкости.
6. Эффекты влияния ВЧ ЭМП на эффективную вязкость разбавленной суспензии.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной конференции Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкости (Петродворец, 1998), Региональной конференции Резонансные и нелинейные явления в конденсированных средах (Уфа, 1999), XXIV Школе семинаре по проблемам механики сплошных сред в системах добычи, транспорта и переработки нефти и газа (Уфа, 2001), VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001), XXV Школе семинаре по проблемам механики сплошных сред в системах добычи, транспорта и переработки нефти и газа (Уфа, 2001), на семинаре в институте механики МГУ под руководством д. ф.-м. н., проф. В.В. Гогосова, 2001), XXVI Школе семинаре по проблемам механики сплошных сред в системах добычи, транспорта и переработки нефти и газа (г. Уфа, 2002), 13-ой Зимней школе семинаре по механике сплошных сред (Пермь, 2003), Международной конференции в Испании с докладом: Impact of a high-frequency electromagnetic field upon multicomponent systems chemical reaction (first International meeting on applied physics. - October 13-18 th 2003, Badajoz, Spain), Международной конференции в Словакии с докладом: Thermodynamical Basis of a Radio - Frequency Electromagnetic Field Impact on Multicomponent Petroleum Fluids (17-th European Conference on thermophysical properties, Bratislava, 5-7 September, 2005), 14-ой Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2005), Международной Уфимской зимней школе-конференции по математике и физике для студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2005), Всероссийской конференции Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности (Москва, 2007), Российской конференции Механика и химическая физика сплошных сред (Бирск, 2007).
Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано 32 печатные работы, в том числе 1 монография и 7 статей в центральных изданиях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 208 страницах машинописного текста, включая 17 рисунков, библиография из 170 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении диссертации сформулирована цель и задачи исследований, отмечена научная новизна полученных результатов, перечислены основные положения, выносимые на защиту, и дается краткое содержание работы.
В первой главе приводится аналитический обзор теоретических и экспериментальных работ по исследуемой в диссертации тематике.
Во второй главе на основе методов неравновесной термодинамики необратимых процессов последовательно излагается феноменологическая теория, описывающая физико-химические процессы в многокомпонентных средах при высокочастотном электромагнитном воздействии.
При построении феноменологической теории были приняты следующие предположения и упрощения:
1. Среда представляется гомогенной многокомпонентной смесью, состоящей из n компонентов.
2. Компоненты не содержат объемных электрических зарядов, не электропроводны, и на систему не действуют внешние объемные силы.
- Температуры компонентов равны:
4. В каждой точке континуума происходит R химических превращений согласно стехиометрическим уравнениям:
, (j=1,2,...,R),
где - молярная масса k-ого компонента; - стехиометрический коэффициент k-ого компонента в j-ой химической реакции.
5. Рассматриваемая n-компонентная гомогенная изотропная система подчиняется следующим уравнениям состояния:
где - соответственно вектора электрической и магнитной индукции; , - электрическая и магнитная постоянные; и - диэлектрическая и магнитная проницаемости, которые являются комплексными величинами, зависящими от круговой частоты ВЧ ЭМП , массовых концентраций компонентов (k=1,2,Е, n), общей плотности системы , температуры среды :
где и - соответственно действительные и мнимые части диэлектрической и магнитной проницаемости; - мнимая единица.
Применяя методы неравновесной термодинамики необратимых процессов, получена полная система термо- и гидродинамических уравнений для поляризующихся и намагничивающихся многокомпонентных сред в ВЧ ЭМП с учетом химических реакций:
Уравнение неразрывности:
,
где - общая плотность системы; - плотность k-ого компонента; - скорость центра масс системы; - скорость k-ого компонента системы; - массовая концентрация k-ого компонента, причем массовые концентрации компонентов связаны выражением: .
Уравнение баланса массы с учетом диффузии компонентов:
здесь - диффузионный поток k-ого компонента, причем диффузионные потоки компонентов связаны выражением: ; - новые введенные стехиометрические коэффициенты, связанные с обычными стехиометрическими коэффицентами , используемых в химии:
;
-скорость j-ой химической реакции на единицу массы: ; - степень полноты j-ой химической реакции.
Уравнение баланса импульса:
где - давление, возникающее без учета воздействия ВЧ ЭМП; -оператор Гамильтона; -оператор Лапласса; - сдвиговая вязкость; - вторая вязкость; - объемная вязкость; - вращательная вязкость; -угловая скорость внутреннего вращения, которая относится к внутреннему вращению выбранного элемента массы континуума; ; - пондеромоторная сила:
Уравнение баланса для внутреннего момента количества движения:
здесь - макроскопическое среднее внутренних моментов инерции частиц, образующих единицу массы континуума; и - коэффициенты объемной и сдвиговой вращательной вязкости.
Уравнение для изменения энтальпии многокомпонентной среды:
где - удельная теплоемкость при постоянном давлении -ого компонента; - часть энтальпии -ого компонента, не зависящая от ВЧ ЭМ воздействия; - плотность потока тепла; -функция вязкой диссипации.
Уравнение для скорости j-ой химической реакции:
здесь - химическое сродство; - химический потенциал k-ого компонента на единицу объема:
- часть химического потенциала k-ого компонента на единицу объема, не зависящая от ВЧ ЭМ воздействия; - химический потенциал k-ого компонента на единицу массы; - часть химического сродства на единицу объема j-ой химической реакции, не зависящая от ВЧ ЭМ воздействия; - кинетический коэффициент.
Уравнение для k-ого диффузионного потока:
где - коэффициент термодиффузии, вклад которого характеризует эффект Соре: ; ; - энергия переноса массы; , - кинетические коэффициенты; - коэффициент, характеризующий вклад в термодиффузию ВЧ ЭМП:
- коэффициент диффузии: ; - коэффициент бародиффузии: ; - коэффициент, характеризующий вклад ВЧ ЭМП в бародиффузию:
, - коэффициенты, характеризующие вклад ВЧ ЭМП в диффузионные потоки, связанные с неоднородностью ЭМ поля:
,
.
Выражение для плотности потока тепла:
здесь -коэффициент теплопроводности: ; -кинетический коэффициент; - коэффициент, характеризующий вклад в теплопроводность ВЧ ЭМП:
-коэффициент диффузионного переноса тепла, характеризующий появление потока тепла при наличии градиентов концентраций (эффект Дюфура):
;
-коэффициент диффузионного переноса тепла, характеризующий появление потока тепла при наличии градиентов давлений:
;
- коэффициент, характеризующий вклад ВЧ ЭМП в тепловой поток при наличии градиента давлений:
, - коэффициенты, характеризующие вклад ВЧ ЭМП в тепловой поток, связанные с неоднородностью ЭМ поля:
,
.
К этим уравнениям необходимо добавить уравнения Максвелла, которые для рассматриваемой модели многокомпонентной среды записаны в виде:
, , , .
При изучении влияния ВЧ ЭМП на химические реакции в многокомпонентной среде рассмотрен случай, когда в -компонентной среде происходит только одна химическая реакция, причем компоненты с k=1, 2,..., r являются реагентами, а компоненты с k=r+1, r+2,..., n - продуктами химической реакции. На многокомпонентную систему воздействует однородное ВЧ ЭМП вида: , , со свойствами:
, .
Для данного частного случая, получен закон действующих масс Гульдберга и Вааге, обобщенный на случай ВЧ ЭМ воздействия:
(1)
где - мольные доли компонентов: ; - число молей компонента k: ; - масса компонента k; - молярная масса компонента k; - общее число молей компонентов: ; -константа химического равновесия, не зависящая от ВЧ ЭМ воздействия.
С другой стороны, из определения константы химического равновесия:
, (2)
где - скорость прямой реакции; - скорость обратной реакции; ; , - предэкспоненциальные множители; и - энергии активации прямой и обратной химических реакций при ВЧ ЭМ воздействии; - универсальная газовая постоянная; - температура. Из сопоставлеия выражений (1) и (2) для энергий активации прямой и обратной химических реакций в ВЧ ЭМП получено:
(3)
(4)
где и - энергии активации прямой и обратной химических реакций, не зависящие от воздействия ВЧ ЭМП.
Из полученных выражений (1)-(4) следует, что существует два механизма влияния ВЧ ЭМП на константу химического равновесия:
1) Тепловой механизм воздействия. При поглощении ВЧ ЭМ энергии веществом за счет диэлектрических и магнитных потерь, происходит объемный прогрев реакционной системы, при этом константа химического равновесия может и возрастать и уменьшаться в зависимости от того, скорость какой реакции растет с температурой. Если скорость прямой реакции сильнее зависит от температуры (ее энергия активации больше, чем для обратной ), то прямой процесс эндотермичен и константа химического равновесия возрастает с температурой. Если же энергия активации обратной реакции выше , то прямой процесс экзотермичен и константа химического равновесия с ростом температуры уменьшается.
2) Нетепловой лэлектромагнитный механизм воздействия ВЧ ЭМП. Влияние ВЧ ЭМП, обусловленное разностью электромагнитных составляющих энергий активаций прямой и обратной химических реакций. Действительно, выражение (2) с учетом (3)-(4) можно записать в виде:
,
где - величена определяемая разностью электромагнитных составляющих энергий активации прямой и обратной химических реакций и зависящая от интенсивности ВЧ ЭМП (напряженностей и ). В случае, когда , с увеличением интенсивности ВЧ ЭМП константа химического равновесия уменьшается, а в случае - увеличивается.
С другой стороны, ВЧ ЭМП влияет на скорость протекания химических реакций. Действительно, для отдельно взятой химической реакции выражение для скорости химической реакции запишется в виде:
.
Рассмотрим химическую реакцию вблизи состояния химического равновесия. Тогда химическое сродство можно разложить в ряд в окрестности равновесной точки :
,
(где первый член разложения равен нулю: ) и учтем, что близость системы к равновесию позволяет ограничиться двумя членами разложения при окончательной записи. Тогда получим:
.
Далее, учитывая уравнение , которое выражает собой критерий устойчивости, имеем: или .
Запишем последнее выражение в виде:
,
где -скорость химической реакции, причем, согласно критерию устойчивости всегда ;
-скорость химической реакции без учета воздействия ВЧ ЭМП; -составляющая скорости химической реакции, обусловленная ВЧ ЭМ воздействием:
Анализ последнего выражения показывает, что ВЧ ЭМП влияет на скорость химических реакций, причем в случае, когда , скорость химической реакции ускоряется, если , то скорость химической реакции замедляется.
В третьей главе построенная теория для многокомпонентных сред в ВЧ ЭМП была уточнена для материалов нефтяной технологии и обобщена на случай фильтрации многокомпонентных взаиморастворимых углеводородов в ВЧ ЭМП с учетом процессов адсорбции.
Получено уравнение кинетики сорбции для примеси, адсорбирующейся на поверхности пор, при этом рассматривается адсорбция Генри. Примесь содержится в одном из компонентов, который рассматривается как раствор. Если рассматривать адсорбцию как разновидность химической реакции, то уравнение действующих масс Гульдберга-Вааге (1)-(2) и выражения для энергий активаций (3)-(4) можно записать в виде:
, (5)
,
где - мольная доля адсорбата - примеси адсорбирующейся на поверхности пор: - число молей адсорбата в выделенном объеме среды; - общая плотность среды; - масса адсорбата - примеси адсорбирующейся на поверхности пор, здесь - адсорбция, -молярная масса примеси; - равновесная мольная доля примеси растворенной в растворе; - равновесное число молей примеси в растворе в выделенном объеме среды; -пористость скелета. - равновесная массовая концентрация примеси в растворе; - константа адсорбционного равновесия.
Таким образом, уравнение (5), можно переписать в виде:
,
, (6)
где - константа коэффициент Генри; - значение коэффициента Генри при ; - теплота адсорбции; - теплота адсорбции без учета воздействия ВЧ ЭМП;
- ВЧ электромагнитная часть теплоты адсорбции.
С другой стороны, учитывая близость системы к состоянию адсорбционного равновесия, для скорости изменения массы адсорбата (примеси, адсорбирующейся на поверхности пор) в выделенном объеме пористой среды имеем:
,
где - скорость адсорбции; - скорость адсорбции, не зависящая от ВЧ ЭМП; - скорость адсорбции, зависящая от ВЧ ЭМ воздействия.
С учетом (6), получаем уравнение кинетики сорбции в виде:
. (7)
Для количественной оценки влияния ВЧ ЭМП на адсорбционные процессы рассмотрена задача смешивающегося вытеснения нефти растворителем в пористой среде конечной длины , в однородном ВЧ ЭМП. Поставленная задача сформулирована из следующих соображений:
1) Адсорбция считается малой настолько, что не влияет на пористость и на массовые концентрации компонентов. Тогда, пренебрегая бародиффузией, уравнение для массовых концентраций компонентов записывается в виде (задача считается одномерной):
здесь - индексы компонентов соответственно для растворителя и нефти; - коэффициент конвективной диффузии; - параметр термодиффузии; - параметр термодиффузии электромагнитного происхождения; - скорость фильтрации.
2) Из-за малости адсорбция не учитывается в уравнении теплопроводности:
- коэффициенты удельной теплоемкости и плотности насыщенной пористой среды: ; ,, - соответственно объемная теплоемкость скелета пористой среды, растворителя и нефти; - соответственно удельная теплоемкость и плотность смеси компонентов: ;-теплопроводность насыщенной пористой среды: ; ,, - соответственно теплопроводность скелета пористой среды, растворителя и нефти; - источники тепла, обусловленные диссипацией ЭМ энергии из-за диэлектрических потерь в среде: ; - круговая частота ЭМ поля; - частота ВЧ ЭМП поля; , - эффективные относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь насыщенной пористой среды.
3) Рассматривается случай, когда адсорбирующаяся примесь (для нефти это, как правило асфальтено-смолистые вещества (АСВ)) равномерно распределена во 2-ом компоненте (нефти):
или ,
где - массовая доля АСВ в нефти; - плотность примеси; - массовая концентрация примеси; - массовая концентрация 2-ого компонента (нефти) в двухкомпонентной среде.
4) Скорость фильтрации определяется из закона Дарси:
где -проницаемость; -коэффициент вязкости смеси:
,
, -вязкость компонентов растворителя и нефти: , ΔT = Т - Т0 ; Т0 - первоначальная температуры среды; - вязкость компонентов при Т=Т0 ; - температурный коэффициент.
5) Распределение давления определяется из уравнения пьезопроводности:
,
где - коэффициенты сжимаемости соответственно смеси компонентов и скелета породы.
6) Адсорбция определяется из уравнения (7).
7) Предполагается, что в начальный момент времени нефть занимает все пространство: , поэтому и адсорбция: .
8) Начальные и граничные условия задачи приняты в виде:
P(x,0)=P0, T(x,0)=T0, с1 (x,0)=0, ,
P(0,t)=Pb, T(0,t)=Tb, с1 (0,t)=1,
P(L,t)=P0, ,
Система уравнений решалась численно по неявной схеме.
Расчеты проводились при следующих параметрах:
= 0,1 МПа; =0,2 МПа; Т0 = 22 0C; Тb =22 0C; m=0,41; L=0,5 м; k=2,9⋅10-11 м2; ; βf=10-9 Па-1; =2038000 Дж/(м3⋅К); βs=10-10 Па-1; D=1,17⋅10-5 м2/c; =1,73⋅10-3 Па⋅с; =0,2 Па⋅с; γ1=0,0128 К-1; =1894 Дж/(кг⋅К), ρ0 = 835,08 кг/м3 , λ0 = 0,119 Вт/(м⋅К); γ2=0,042 К-1; =1,67 Вт/(м⋅К); λ2=0,125 Вт/(м⋅К); α2=1912680 Дж/(м3⋅К); = 5,049 Дж/(кг⋅К ); γρ = 0,804 кг/(м3⋅К); γλ = 1,509⋅10-4 Вт/(м⋅К ) ; ε'=3,426; tgδ=0,0083, E=11,1 кВ/м, = 0,0025 , = 0,115 , ; ; ; ; ; .
Таким образом, при постановке задачи учитываются не только адсорбционные эффекты при воздействии на систему ВЧ ЭМП, но и полученные во второй главе перекрестные эффекты переноса. На рисунках 1-5. приведены некоторые принципиальные результаты численного решения задачи.
Рис. 1. Распределение температуры вдоль системы при воздействии ВЧ ЭМП
1 - через 10 минут; 2 - через 20 минут; 3 - через 30 минут;
4 - через 40 минут; 5 - через 60 минут; 6-через 80 минут; 7-через 90 минут.
На рис.1 приведены кривые распределения температуры в процессе вытеснения нефти растворителем при одновременном электромагнитном воздействии, которые имеют вполне обоснованный вид. А именно, по мере внедрения в нагреваемую в результате ВЧ ЭМ воздействия пористую среду холодного растворителя градиент температуры со временем растет и распространяется на всю область воздействия.
Однако столь неравномерное распределение температуры по пространству приводит к неожиданному результату в пространственном распределении концентрации компонентов. На рисунках 2-4 приведены кривые распределения концентрации для вытесняемого компонента (нефти), из анализа которых видно, что, несмотря на уменьшение вязкости нефти при увеличении температуры, следствием которого должно быть ее более быстрое вытеснение по сравнению с вытеснением без воздействия, в нашем случае процесс имеет обратный характер. Это можно объяснить только тем, что за счет перекрестных эффектов массопереноса (в основном термодиффузии электромагнитного происхождения) в ВЧ ЭМП возникает диффузионный поток, направленный против градиента температуры, что приводит к встречной диффузии нефти, обратной к направлению фильтрации системы в целом, и перераспределению компонентов в пространстве. Поэтому концентрация нефти в области, прилегающей к точке нагнетания растворителя в случае ВЧ ЭМ воздействии
Рис. 2. Распределение концентрации нефти и адсорбции
вдоль системы через 30 минут
1 - без воздействия ВЧ ЭМП; 2 - с ВЧ ЭМП.
Рис. 3. Распределение концентрации нефти и адсорбции
вдоль системы через 40 минут
1 - без воздействия ВЧ ЭМП; 2 - с ВЧ ЭМП.
Рис. 4. Распределение концентрации нефти и адсорбции
вдоль системы через 60 минут
1 - без воздействия ВЧ ЭМП; 2 - с ВЧ ЭМП.
Рис. 5. Зависимость коэффициента Генри от температуры .
(кривая 2) становится больше концентрации нефти в случае без воздействия ВЧ ЭМП (кривая 1), причем, естественно, чем больше градиент температуры, тем больше разница между соответствующими значениями концентраций.
Здесь же на рисунках 2-4 приведены кривые распределения концентрации адсорбированной примеси в случаях без воздействия ВЧ ЭМП (кривая 1) и с ВЧ ЭМ воздействием (кривая 2) в различные моменты времени. Анализ кривых показывает, что рассматриваемое в задаче пространство можно разделить на две меняющиеся во времени области:
1) область, где в результате ВЧ ЭМ воздействия преобладают процессы адсорбции (кривая 2 располагается выше кривой кривой 1);
2) область, где в результате ВЧ ЭМ воздействия преобладают процессы десорбции (кривая 2 располагается ниже кривой 1).
Такой характер процесса адсорбции можно объяснить тем, что по мере вытеснения нефти происходит конкуренция двух процессов. С одной стороны, как было показано выше, за счет перекрестных эффектов, концентрация нефти в случае ВЧ ЭМ воздействия в пространстве со временем возрастает, в отличие от случая без воздействия. А так как концентрация примеси пропорциональна концентрации нефти, то это должно приводить к увеличению концентрации адсорбированного вещества. С другой стороны, если в данной области пространства имеет место значительное увеличение температуры, то преобладающим может стать процесс десорбции. Количественно сорбционный процесс определяется коэффициентом Генри, являющимся функцией температуры в соответствии с полученной в результате решения задачи зависимостью (рис. 5). При этом, так как наибольший прогрев происходит в правой области пространства (рис. 1), то, соответственно, в данной области преобладает процесс десорбции.
В четвертой главе для объяснения результатов экспериментальных работ по влиянию электромагнитных полей на поверхностное натяжение полярных жидкостей построена качественная теория, учитывающая диполь-дипольное взаимодействие между молекулами жидкости. При построении теории учитывались известные данные ренгеноструктурного анализа:
1. Молекулы внутри жидкости плотно упакованы и располагаются относительно друг друга симметрично. На расстояниях от некоторой выбранной лцентральной молекулы упорядоченность размывается -так называемый ближний порядок ( - эффективный диаметр молекулы).
2. На поверхности жидкости, согласно рентгеноструктурному анализу, также наблюдается упорядоченное расположение молекул, причем упаковка молекул строго ориентирована относительно поверхности жидкости.
3. Как на поверхности, так и внутри жидкости упаковка молекул, носит преимущественный характер, т.е. в жидкости могут встречаться и другие виды упаковок молекул, но определенный вид упаковки встречается наиболее часто.
При этом предложен следующий механизм влияния электического поля на поверхностное натяжение: Внешнее электрическое поле стремится повернуть молекулы так, чтобы их дипольные моменты установились по направлению поля, тем самым, вызывая преимущественную ориентацию дипольных моментов молекул вдоль направления поля. В итоге на поверхности жидкости силы диполь-дипольного взаимодействия между преимущественно ориентированными вдоль вектора напряженности электрического поля дипольными моментами молекул, оказавшись несконпенсированными влияют на поверхностное натяжение полярной жидкости.
Оказалось, что учет диполь-дипольного взаимодействия между молекулами жидкости приводит к новому эффекту - анизотропии поверхностного натяжения относительно угла между поверхностью жидкости и направлением вектора напряженности электрического поля.
Анализ экпериментальных работ показал, что в них исследован только один частный случай, когда вектор напряженности электрического поля ориентирован параллельно поверхности жидкости. В этом случае, как следует из построенной теории коэффициент поверхностного натяжения уменьшается при увеличении интенсивности электрического поля, что хорошо согласуется с экспериментальными данными. Из построенной теории, например, следует, что в случаях, когда вектор напряженности электрического поля ориентирован перпендикулярно поверхности жидкости, то коэффициент поверхностного натяжения увеличивается при увеличении интенсивности электрического поля.
В пятой главе рассмотрено влияние ВЧ ЭМП на реологию разбавленных суспензий, при этом предполагалось:
1) ВЧ ЭМП является однородным и имеет вид: , где - амплитуда вектора напряженности электрического поля; -вектор в направлении поля: ; -единичный вектор, направленный вдоль оси, относительно которой колеблется вектор напряженности ВЧ ЭМП и в сферической системе координат: ; ; ; , - широта и долгота соответственно; -круговая частота ВЧ ЭМП; - мнимая единица.
2) Течение считается изотермическим, то есть не учитываются тепловые источники, возникающие при ВЧ ЭМ воздействии на разбавленную суспензию.
3) Частицы суспензии в общем случае имеют форму эллипсоидов вращения и обладают постоянным дипольным моментом , который жестко связан с частицей и направлен вдоль оси ее симметрии. Для определенности полагается, что частицы обладают электрическим дипольным моментом и, следовательно, испытывают воздействие со стороны вектора напряженности электрического поля.
Для частиц суспензии имеющих сферическую форму исследованы два частных случая: случай малых полей и случай произвольных полей. Для случая малых полей для простого сдвигового движения, когда , получено следующее выражение для эффективной сдвиговой вязкости:
, (8)
где -коэффициент сдвиговой вязкости жидкости, в которой взвешены частицы; -объемная концентрация твердой фазы; - безразмерная напряженность поля; - функция Ланжевена; - время релаксации; -число частиц в единице объема суспензии; - постоянная Больцмана; -температура. Анализ показывает, что в зависимости от частоты ВЧ ЭМП эффективный коэффициент вязкости суспензии может быть больше или меньше значения вязкости без ВЧ ЭМ воздействия. Возможны следующие случаи: 1) , при увеличении интенсивности ВЧ ЭМП эффективная сдвиговая вязкость увеличивается. Это объясняется тем, что при данных частотах ВЧ ЭМП затормаживает вращение частиц суспензии, а это всегда приводит к увеличению вязкости. 2) . Эффективный коэффициент вязкости не зависит от воздействия ВЧ ЭМП; 3) . При данных частотах ВЧ ЭМП ускоряет вращение частиц суспензии, что приводит к уменьшению вязкости, причем имеется критическая частота, при которой эффективный коэффициент вязкости является минимальным: .
В случае произвольных полей для сдвигового движения (), при , получено выражение для эффективной сдвиговой вязкости:
. (9)
На рисунке 6 показана зависимость изменения вязкости
от безразмерной напряженности , при различных частотах ВЧ ЭМП.
Показано, что пределы применимости выражения (8) для эффективной сдвиговой вязкости в случае малых полей имеет вид: .
Рис. 6. Зависимость изменения вязкости от безразмерной напряженности , при различных частотах ВЧ ЭМП. Кривые 1, 2, 3, 4 и 5 - соответствуют случаям, когда частота ВЧ ЭМП соответственно удовлетворяет условиям: , , , и .
Рис. 7 Экспериментальное определение величины от напряженности магнитного поля при различных частотах .
Приложение выражения для эффективной сдвиговой вязкости (9) к магнитным суспензиям дает удовлетворительное качественное соответствие с экспериментальными данными. Действительно, учитывая, что полученные результаты справедливы при соответствующей замене обозначений (безразмерной напряженности: ) для суспензий частиц с магнитным моментом: , где -намагниченность насыщения ферромагнетика; - объем частицы суспензии. Показано, что для частиц с характерными размерами , условие выполняется при частотах: , что соответствует диапазону ВЧ ЭМП. Для частиц с большими размерами
, условие выполняется при частоте: и, следовательно, явление уменьшения эффективной вязкости должно наблюдаться и в области квазистационарных полей низкой частоты. Данное явление в зарубежной литературе получило название Уотрицательная вязкостьФ
(УNegative-viscosityФ). Данные эксперимента для квазистационарных магнитных полей представлены на рис. 7, где вдоль оси абцисс отложена напряженность внешнего магнитного поля в эрстедах, по оси ординат величина: , -частота магнитного поля; -эффективная вязкость при наличии магнитного поля частоты ; -эффективная вязкость в отсутствии магнитного поля. Кривые получены при различных частотах магнитного поля (рис. 7). Сравнивая теоретические (рис. 6) и экспериментальные (рис. 7) кривые, отметим, что аппроксимация построенной теории в область квазистационарных полей низкой частоты качественно согласуется с экспериментыми данными для магнитных суспензий.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В работе получены следующие научные результаты:
1. На основе методов термодинамики необратимых процессов построена феноменологическая теория, описывающая физико-химические процессы в многокомпонентных средах при высокочастотном электромагнитном воздействии. Получены выражения для теплового, диффузионных потоков и скоростей химических реакций и показано, что данные выражения содержат члены, обусловленные высокочастотным электромагнитным воздействием. Получено обобщение закона действующих масс Гульдберга и Вааге на случай воздействия на многокомпонентную среду высокочастотного электромагнитного поля. Показано, что ВЧ ЭМП влияют на константу химического равновесия при этом раскрывается два механизма этого воздействия:
а) тепловой механизм воздействия: влияние на константу химического равновесия при прогреве среды за счет энергии ВЧ ЭМП из-за диэлектрических и магнитных потерь;
б) нетепловой лэлектромагнитный механизм воздействия: влияние ВЧ ЭМП, через разность электромагнитных членов энергий активаций прямой и обратной химических реакций.
2. Путем обобщения построенной теории на случай фильтрации в ВЧ ЭМП получена система уравнений описывающих фильтрацию многокомпонентных сред в ВЧ ЭМП с учетом адсорбционных процессов. Установлено, что ВЧ ЭМП влияет на сорбционные процессы следующим образом:
1) на кинетику адсорбции: а) через тепловой прогрев среды за счет энергии ВЧ ЭМП из-за диэлектрических потерь; б) через теплоту адсорбции (появление дополнительной электромагнитной составляющей в выражении для теплоты адсорбции: , где - теплота адсорбции без учета воздействия ВЧ ЭМП; - ВЧ электромагнитная часть теплоты адсорбции).
2) на скорость сорбционных процессов: появление электромагнитной части в выражении для скорости адсорбции: , где - скорость адсорбции без учета воздействия ВЧ ЭМП; - скорость адсорбции с учетом ВЧ электромагнитного воздействия.
3. Рассмотрена задача фильтрации углеводородной смеси в однородном ВЧ ЭМП с учетом конвективно-диффузионных и адсорбционно-десорбционных процессов. Показано, что при воздействии поля конкурируют два процесса: перекрестный эффект массопереноса (термодиффузия электромагнитного происхождения) и влияние ВЧ ЭМП на коэффициент Генри, что количественно определяет процессы адсорбции и десорбции.
4. Обнаружен эффект анизотропии коэффициента поверхностного натяжения, проявляющийся в зависимости коэффициента поверхностного натяжения от взаимной ориентации поверхности жидкости и вектора напряженности электрического поля.
5. Рассмотрена теория воздействия ВЧ ЭМП на дисперсные системы (разбавленные суспензии). Получены выражения для эффективной вязкости суспензий в ВЧ ЭМП в случае малых и произвольных полей. Установлено, что выражение для эффективной вязкости зависит от частоты и интенсивности ВЧ ЭМП и при некоторых частотах ВЧ ЭМП наблюдается уменьшение эффективной вязкости. Показано, что при аппроксимации в область квазистационарных низкочастотных электромагнитных полей результаты хорошо согласуются с известными экспериментальными исследованиями.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах:
- Саяхов Ф.Л., Галимбеков А.Д. К термо- и гидродинамике поляризующихся под воздействием высокочастотного электромагнитного поля поглощающих жидких сред. / Cб. Прикладная физика и геофизика. -Уфа, 1995.- C.101-108.
- Саяхов Ф.Л., Галимбеков А.Д. Течение полярной жидкости между параллельными пластинами при воздействии ВЧ ЭМП. / Cб. Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов.- Уфа, 1995.- С.85-89.
- Саяхов Ф.Л., Галимбеков А.Д. Основные термодинамические соотношения для поляризующихся и намагничивающихся жидких сред в высокочастотном электромагнитном поле. / Сб. Физико-химическая гидродинамика.- Уфа, 1995.- C.86-92.
- Саяхов Ф.Л., Закирьянов Ф.К., Галимбеков А.Д. Термодинамика сплошных сред в электромагнитном поле. // Учебное пособие. БашГУ.- Уфа, 1996.- 89 c.
- Саяхов Ф.Л., Ковалева Л.А., Галимбеков А.Д. Воздействие высокочастотного электромагнитного поля на многокомпонентные системы. // Магнитная гидродинамика.- Рига, 1997.- Т.33, №3, - С.356-364.
- Саяхов Ф.Л., Ковалева Л.А., Галимбеков А.Д. Воздействие высокочастотного электромагнитного поля на течение поляризующихся углеводородных систем. / Cб. ИПТЭР.-Уфа, 1998.- C. 77-91.
- Саяхов Ф.Л., Ковалева Л.А., Насыров Н. М., Галимбеков А.Д. Влияние высокочастотного электромагнитного поля на перекрестные эффекты переноса многокомпонентных систем. // Магнитная гидродинамика.-Рига, 1998.- Т.36, №2. - С. 148-157.
- Саяхов Ф.Л., Галимбеков А.Д. Об одной феноменологической модели описывающей воздействие высокочастотного электромагнитного поля на многокомпонентную систему с химическими реакциями. / Сб. научн. трудов. Региональная конференция (25-26 ноября 1999 г.) Резонансные и нелинейные явления в конденсированных средах Т.2.- Уфа, 1999.- C. 90-91.
- Галимбеков А.Д. Вязкость суспензий в высокочастотном электромагнитном поле. / В межвуз. научн. сб. Электрификация сельского хозяйства. Выпуск 1, Изд. БИРО.- Уфа, 1999.- C.157-160.
- Саяхов Ф.Л., Галимбеков А.Д. Об одной феноменологической модели описывающей воздействие высокочастотного электромагнитного поля на многокомпонентную систему с химическими реакциями. / Сб. научн. трудов. Научная конференция по научно-техническим программам минобразования России I. - Уфа, 1999.- C.115-120.
- Галимбеков А.Д. Исследование воздействия высокочастотного электромагнитного поля на вязкость суспензий. / Межвузовский научный сборник. Электромагнитная физико-химическая гидродинамика.- Уфа, 2000.- C.95-99.
- Галимбеков А.Д. Воздействие высокочастотных электромагнитных полей на многокомпонентные системы с химическими реакциями. / Аннотации докладов.- Пермь 23-29 августа 2001.- C.173.
- F.L. Sayakhov, A.D. Galimbekov. Effective viscosity of suspensions in a high-frequency electromagnetic field. // Magnetohydrodynamics.- vol.37 (2001), no.4.- РР. 404-409.
- Галимбеков А.Д. Влияние высокочастотного электромагнитного поля на константу химического равновесия. / Физика в Башкортостане: сб. статей.- Уфа: Гилем, 2001.- C.298-301.
- Саяхов Ф.Л., Галимбеков А.Д. Вязкость разбавленной суспензии в высокочастотном электромагнитном поле. // ПМТФ.- 2002.- Т.43, № 6.- C.156-159.
- Саяхов Ф.Л., Черепанов А.Н., Галимбеков А.Д., Сафин С.Г., Дружинин Н.В. Некоторые аспекты и механизмы интенсификации процессов высокотемпературного пиролитического разложения ТБО. / Сб. научн. тр. Междунар. Научно-практическ. конф-и Перспективы освоения минерально-сырьевой базы Архангельской области.-Архангельск, 2002.-С.152-154.
- Галимбеков А.Д. Эффективная вязкость суспензий в высокочастотном электромагнитном поле. / 13-я Зимняя школа семинар по механике сплошных сред. Аннотации докладов.- Пермь 24 февраля - 1 марта, 2003.- C. 96.
- Саяхов Ф.Л., Ковалева Л.А., Галимбеков А.Д., Хайдар А.М. Электрофизика нефтегазовых систем. // Учебное пособие.- Уфа, 2003.- 186 с.
- Kovaleva L. A. Galimbekov A. D. Impact of a high - frequency electromagnetic field upon multicomponent systems chemical reaction. / First International meeting on applied physics. - October 13-18 th 2003.- Badajoz, Spain. - PР. 346-358.
- Галимбеков А.Д. Механизм воздействия высокочастотного электромагнитного поля на химические реакции в многокомпонентных средах. / Сб. Физико-химическая гидродинамика. Ч. 2. - Уфа, РИО БашГУ, 2004.- C.3-16.
- Галимбеков А.Д. Влияние электрического поля на поверхностное натяжение полярных жидкостей. / Материалы 110 научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов университета.-Уфа Изд. БГАУ, 2004.- C.154.
- Ковалева Л.А., Галимбеков А.Д. Влияние высокочастотного электромагнитного поля на физико-химические процессы в многокомпонентных средах. // Вестник Оренбургского государственного университета.- №1, 2004.- С. 144-149.
- Галимбеков А.Д. Эффективная вязкость суспензии в высокочастотном электромагнитном поле. // Вестник Башкирского университета.- Уфа, №3, 2004.- С . 65-69.
- Галимбеков А.Д. Воздействие высокочастотного электромагнитного поля на химические реакции в многокомпонентных средах. // ЖФХ, 2004.- том 78, №9.- C. 1693-1697.
- Галимбеков А.Д., Ковалева Л.А. Некоторые аспекты взаимодействия электромагнитных полей с поляризующимися средами. Монография.- Уфа Изд-ние Башкирск. ун-та, 2004.- 104 с.
- Галимбеков А.Д. Исследование поверхностного натяжения полярных жидкостей в электрическом поле. / В межвуз. научн. Сб. Электрификация сельского хозяйства. Выпуск 4.- Уфа Изд. БИРО, 2005.- С . 141-146.
- Галимбеков А.Д. Изотермическая диффузия в двухкомпонентной среде при высокочастотном электромагнитном воздействии. / Межвуз. научн. Сб. Электрификация сельского хозяйства. Выпуск 4.- Уфа Изд. БИРО, 2005.- С. 146-150.
- Kovaleva L. A. Galimbekov A. D. Thermodinamical Basis of a Radio-Frequency Electromagnetic Field Impact on Multicomponent Petroleum Fluids. / 17-th European Conference on thermophysical properties. - Bratislava, 5-7 September, 2005.- PР. 434-447.
- Галиева Л. Н., Галимбеков А.Д. Влияние электрического поля на адсорбцию полярных молекул на поверхности металла. / Сб. трудов. Международная уфимская зимняя школа конференция по математике и физике для студентов, аспирантов и молодых ученых. Т.2, Физика.- Уфа, 2005.- С.89-94.
- Галимбеков А.Д. Исследование вязкости суспензии при воздействии электромагнитных полей высокочастотного диапазона. / Сб. трудов. Международная уфимская зимняя школа конференция по математике и физике для студентов, аспирантов и молодых ученых. Т.2, Физика.- Уфа, 2005.- С.95-103.
- Галимбеков А.Д. Теоретическое исследование влияния электрического поля на поверхностное натяжение полярных жидкостей. / Сб. трудов. Международная уфимская зимняя школа конференция по математике и физике для студентов, аспирантов и молодых ученых Т.2, Физика.- Уфа, 2005.- С 104-110.
- Галимбеков А.Д. Некоторые аспекты воздействия электромагнитных полей на поляризующиеся среды. / Сб. трудов. VI региональная школа конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике, физике и химии. том I. Физика. Лекции и научные статьи.- Уфа: РИО БашГУ, 2006.- С. 3-22.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике