 |
|
|
Архитектура Астрономия Аудит Биология Ботаника Бухгалтерский учёт Войное дело Генетика География Геология Дизайн Искусство История Кино Кулинария Культура Литература Математика Медицина Металлургия Мифология Музыка Психология Религия Спорт Строительство Техника Транспорт Туризм Усадьба Физика Фотография Химия Экология Электричество Электроника Энергетика |
Глава 3. Понятие о методах изучения сплошных сред и их теплофизичеких свойствах
1. Феноменологический и статистический методы описания среды
Все явления природы на основе представлений современной физики могут быть описаны двумя методами: феноменологическим и статистическим. Определение. Метод описания процесса, игнорирующий микроскопическую структуру вещества и рассматривающий его как сплошную среду (континуум) называется феноменологическим (ФМ). Определимся в терминологии. Определение. Среда, которую допустимо рассматривать как непрерывную (континуум), пренебрегая дискретным ее строением называется сплошной средой(СС). Различают СС: однородная, неоднородная, изотропная, анизотропная, однофазная, многофазная. Определение. Однородная СС – это СС, в разных точках которой ее физические свойства одинаковы при одинаковых температуре и давлении. Неоднородная СС – это СС, в разных точках которой ее физические свойства различны при одинаковых температуре и давлении. Изотропная СС - это СС, физические свойства которой не зависят от направления. Анизотропная СС - СС, физические свойства которой различны по разным направления. Однофазная СС – СС одно- или многокомпонентная среда, физические свойства которой в пространстве могут изменяться только непрерывно. Многофазная СС - СС одно- или многокомпонентная, состоящая из ряда однофазных частей, на границах которой ее физические свойства меняются скачком. Т.к. в дальнейшем будем иметь дело с газообразными и жидкими средами, то приведем определения. Определение. Жидкостью будем называть СС, обладающую свойством текучести, т.е. допускающую неограниченное изменение формы под действием сколь угодно малых сил. Замечание. ФМ дает возможность установить некоторые общие соотношения между параметрами, характеризующими рассматриваемое явление в целом. Здесь законы носят общий характер, причем роль физической среды учитывается через коэффициенты (теплофизические свойства), полученные из опыта. С этой точки зрения законы Фурье, Ньютона, Фика и.д. – ФМ законы. Определение. Статистический метод (СМ) – метод изучения физических явлений на основе исследования внутренней структуры вещества и обобщения их в макросвязи. Задача СМ – получение макроскопических характеристик по микроскопическим свойствам среды. Замечание (достоинства и недостатки ФМ и СМ). 1. Достоинство ФМ – в установлении общих связей между параметрами процесса с использованием эмпирической информации о процессе. Причем точность метода предопределена точностью данных из опыта. Недостаток ФМ – в наличии эмпирической информации. 2. Достоинство СМ – в получении искомых соотношений (законов) по заданным свойствам микроскопической структуры среды без дополнительного эксперимента. Здесь среда рассматривается как некоторая система, состоящая из огромного числа молекул, ионов, атомов с заданными свойствами. Недостаток СМ – сложность обобщения этих зависимостей и проблемы реализации метода, т.к. необходимо знать ряд параметров, которые могут быть определены в специальных разделах физики, химии, биологии и других областях знаний. 2. Проблемы моделирование гидродинамических процессов с средах со сложной структурой и химическими реакциями Движение высокотемпературных сред, происходящее в ряде технических устройств, может сопровождаться сложными химическими превращениями, способными существенно влиять на гидродинамику процесса и тепловой режим элементов конструкции. Такие явления протекают в двигателях внутреннего сгорания, аппаратах ядерной энергетики, устройствах химических производств и лазерной техники. Во внутренних течениях химически реагирующих смесей газов определяющую роль играют вязкие эффекты. Осложненный процессами турбулентного переноса и существенной нелинейностью, вызванной зависимостью констант скоростей химической реакции от температуры, расчет этих явлений представляет достаточно трудную задачу. Опытные исследования часто сопряжены с не меньшими, чем при теоретическом изучении, трудностями из-за недостаточной разрешающей способности аппаратуры, несовершенства методик измерений. Такое положение предъявляет повышенные требования к математическому моделированию течений высокоэнтальпийных сред. Лишь для достаточно простых течений химически реагирующих смесей возможно построение решений аналитическими методами. Это относится к случаям бинарных смесей, постоянных теплофизических свойств, равенства чисел Льюиса единице, линейной кинетики химических реакций. В других условиях широкое применение нашли численные методы. В настоящее время описание движений газовых смесей проводят с использованием различных приближений полных уравнений движения: погранслойной модели течения, приближения «узкого канала» и модели с параболизованными уравнениями Навье — Стокса. Такое положение определяется имеющейся во многих случаях возможностью выделить определяющее направление движения, а также пренебречь влиянием распространяющихся вверх по потоку возмущений. Использование приближения пограничного слоя позволяет пренебречь в полной системе уравнений Навье — Стокса членами, учитывающими процессы молекулярного переноса импульса, тепла, массы, массы отдельных компонент смеси в аксиальном направлении, изменением градиента давления поперек канала. Такие же допущения делаются и при построении приближения «узкого канала». В сравнении с параболизованными моделями течений газовых смесей приближения пограничного слоя и «узкого канала» выглядят предпочтительнее. Последнее объясняется исключительной трудоемкостью построения численных решений параболизованных уравнений движения для внутренних течений реагирующих сред. Особенности решений таких уравнений будут рассмотрены ниже. Поскольку все они требуют точных или приближенных эмпирических формулировок для теплофизических свойств рабочей среды. Остановимся на этом вопросе подробнее.
Поиск по сайту: |