Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634558)
Контекстум
.

Движение бинарной смеси в плоских и цилиндрических областях (150,00 руб.)

0   0
Первый авторАндреев В. К.
АвторыСобачкина Н. Л.
ИздательствоСиб. федер. ун-т
Страниц189
ID211898
АннотацияВ монографии представлены результаты исследований конкретных нестационарных движений бинарной смеси с учетом эффекта термодиффузии, возникающих в достаточно длинных плоских и цилиндрических слоях. Рассмотрены свойства инвариантных решений уравнений термодиффузии, когда на границе раздела двух смесей поверхностное натяжение линейно зависит от температуры и концентрации. Для возникающих сопряженных начально-краевых задач получены априорные оценки всех полей, показывающие их экспоненциальную сходимость с ростом времени к стационарным значениям. Приведены результаты численных расчетов поведения скоростей, температур и концентраций в слоях. Дано обобщение решений Остроумова–Бириха на движение смесей в цилиндрической трубе.
Кому рекомендованоРезультаты монографии будут полезны научным работникам, преподавателям, студентам старших курсов, магистрантам и аспирантам вузов, занимающимся конвективными течениями.
ISBN978-5-7638-2372-1
УДК536.2:532/533
ББК22.365.5
Андреев, В. К. Движение бинарной смеси в плоских и цилиндрических областях : монография / Н. Л. Собачкина; В. К. Андреев .— Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012 .— 189 с. — ISBN 978-5-7638-2372-1 .— URL: https://rucont.ru/efd/211898 (дата обращения: 18.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Н.Л. Собачкина ISBN 978-5-7638-2372-1 9 785763 823721 Движение бинарной смеси в плоских и цилиндрических областях В монографии представлены результаты исследований конкретных нестационарных движений бинарной смеси с учетом эффекта термодиффузии, возникающих в достаточно длинных плоских и цилиндрических слоях. <...> Для возникающих сопряженных начально-краевых задач получены априорные оценки всех полей, показывающие их экспоненциальную сходимость с ростом времени к стационарным значениям. <...> Дано обобщение решений Остроумова–Бириха на движение смесей в цилиндрической трубе. <...> ДВИЖЕНИЕ БИНАРНОЙ СМЕСИ В ПЛОСКИХ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБЛАСТЯХ Монография Институт математики Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет Российская академия наук Сибирское отделение Институт вычислительного моделирования <...> В. К. Андреев, Н. Л. Собачкина ДВИЖЕНИЕ БИНАРНОЙ СМЕСИ В ПЛОСКИХ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБЛАСТЯХ Монография Красноярск СФУ 2012 УДК 536.2:532/533 ББК 22.365.5 А65 Р е ц е н з е н т ы: доктор физико-математических наук, профессор В. М. Белолипецкий доктор физико-математических наук, профессор С. В. Хабиров Андреев, В. К. Движение бинарной смеси в плоских и цилиндрических областях: моА 65 нография / В. К. Андреев, Н. Л. Собачкина. <...> ISBN 978-5-7638-2372-1 В монографии представлены результаты исследований конкретных нестационарных движений бинарной смеси с учетом эффекта термодиффузии, возникающих в достаточно длинных плоских и цилиндрических слоях. <...> Для возникающих сопряженных начально-краевых задач получены априорные оценки всех полей, показывающие их экспоненциальную сходимость с ростом времени к стационарным значениям. <...> Дано обобщение решений Остроумова – Бириха на движение смесей в цилиндрической трубе. <...> Совместное однонаправленное движение бинарных смесей в плоских слоях при заданном перепаде давления . <...> Движение смесей под действием термоконцентрационных сил . <...> Совместное однонаправленное движение <...>
Движение_бинарных_смесей_в_плоских_и_цилиндрических_областях_монография.pdf
В.К. Андреев, Н.Л. Собачкина ДВИЖЕНИЕ БИНАРНОЙ СМЕСИ В ПЛОСКИХ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБЛАСТЯХ Монография Институт математики В.К. Андреев,
Стр.1
Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет Российская академия наук Сибирское отделение Институт вычислительного моделирования В. К. Андреев, Н. Л. Собачкина ДВИЖЕНИЕ БИНАРНОЙ СМЕСИ В ПЛОСКИХ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБЛАСТЯХ Монография Красноярск СФУ 2012
Стр.2
УДК 536.2:532/533 ББК 22.365.5 А65 Р е ц е н з е н т ы: доктор физико-математических наук, профессор В.М.Белолипецкий доктор физико-математических наук, профессор С. В. Хабиров Андреев, В. К. А 65 Движение бинарной смеси в плоских и цилиндрических областях: монография / В. К. Андреев, Н. Л. Собачкина. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. 188 с. ISBN 978-5-7638-2372-1 В монографии представлены результаты исследований конкретных нестационарных движений бинарной смеси с учетом эффекта термодиффузии, возникающих в достаточно длинных плоских и цилиндрических слоях. Рассмотрены свойства инвариантных решений уравнений термодиффузии, когда на границе раздела двух смесей поверхностное натяжение линейно зависит от температуры и концентрации. Для возникающих сопряженных начально-краевых задач получены априорные оценки всех полей, показывающие их экспоненциальную сходимость с ростом времени к стационарным значениям. Приведены результаты численных расчетов поведения скоростей, температур и концентраций в слоях. Дано обобщение решений Остроумова–Бириха на движение смесей в цилиндрической трубе. Результаты монографии будут полезны научным работникам, преподавателям, студентам старших курсов, магистрантам и аспирантам вузов, занимающимся конвективными течениями. УДК 536.2:532/533 ББК 22.365.5 ISBN 978-5-7638-2372-1  В. К. Андреев, Н. Л. Собачкина, 2012 c  Сибирский федеральный c университет, 2012
Стр.3
Оглавление Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Глава 1 Однонаправленные двухслойные движения смесей в плоских и цилиндрических слоях. . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1. Постановка задачи о движении двух бинарных смесей с поверхностью раздела . . . . . . . . . . 1.2. Совместное однонаправленное движение бинарных смесей в плоских слоях при заданном перепаде давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Движение смесей под действием термоконцентрационных сил . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Совместное однонаправленное движение вязкой теплопроводной жидкости и бинарной смеси в трубе под действием перепада давления . . . . 12 20 47 68 1.5. Термоконцентрационное движение вязкой теплопроводной жидкости и бинарной смеси в трубе . 103 Глава 2 Влияние эффекта Соре на движение смесей со свободной границей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 2.1. Движение плоского слоя жидкости с двумя свободными границами под действием эффекта Соре 117 2.2. Движение плоского слоя жидкости со свободной границей и твердой стенкой . . . . . . . . . . . . 134 2.3. Движение бинарной смеси с цилиндрической свободной границей . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Глава 3 Движение бинарной смеси в горизонтальной цилиндрической трубе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 3.1. Основные уравнения и граничные условия . . . . 158 3.2. Стационарные ползущие движения . . . . . . . . 162
Стр.4
4 Оглавление 3.3. Нестационарные ползущие движения . . . . . . . 164 3.4. Решение стационарной задачи в первом приближении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Стр.5
Введение Среди множества моделей, используемых в механике жидких сред, можно выделить так называемые классические модели, к которым относятся уравнения газовой динамики, Эйлера идеальной жидкости, Навье –Стокса вязкой жидкости, Обербека– Буссинеска конвективных течений. В последнее время в связи с появлением новых задач, развитием математического аппарата и средств вычислительной техники возрос интерес к неклассическим моделям гидродинамики. В качестве примера можно привести модели вязкого теплопроводного газа [1], микроконвекции [2], а также конвекции с учетом эффектов термодиффузии и диффузионной теплопроводности [3, 4]. Такие усложненные модели с большей точностью (по сравнению с классическими) описывают реальные физические процессы и активно используются в вычислительной гидродинамике. В связи с этим является актуальной задача качественного исследования уравнений подмоделей усложненных сред. В частности, точные решения всегда играли и продолжают играть огромную роль в формировании правильного понимания качественных особенностей многих явлений и процессов в различных областях естествознания. Эти решения часто используют в качестве “тестовых задач” для проверки корректности и оценки точности различных асимптотических, приближенных и численных методов. Изучению моделей микроконвекции и вязкого теплопроводного газа с помощью теоретико-групповых методов посвящена монография [5]. Отметим также монографию [6], в которой наряду с классическими моделями исследуются уравнения термокапиллярного движения, пограничного слоя Марангони, а также уравнения конвекции с коэффициентами переноса, зависящими от температуры.
Стр.6
6 Введение В данной книге рассматриваются конкретные подмодели движения бинарной смеси с учетом эффекта термодиффузии. Эти подмодели возникают при движении смесей в достаточно длинных плоских или цилиндрических слоях. По классификации группового анализа они являются инвариантными или частично инвариантными решениями общих уравнений термодиффузии. Соответствующие системы уравнений хотя и содержат меньшее число зависимых и независимых переменных, однако начально-краевые задачи для них являются очень трудными для исследования. Термодиффузией называют молекулярный перенос вещества, связанный с наличием в среде (жидком растворе или газовой смеси) градиента температуры. При термодиффузии концентрация компонентов в областях повышенной и пониженной температуры различна. Наличие градиента концентрации приводит к возникновению обыкновенной диффузии. Стационарное состояние устанавливается тогда, когда процессы диффузии и термодиффузии уравновешивают друг друга (т. е. процесс перемешивания компонентов смеси компенсируется процессом их разделения). На практике часто встречается нормальная термодиффузия, при которой тяжелые компоненты стремятся перейти в более холодные области, а легкие компоненты — в более нагретые области. В отдельных случаях наблюдается аномальная термодиффузия, когда направление движения компонентов меняется на противоположное. Термодиффузию в растворах также называют эффектом Соре. Термодиффузия часто встречается в природе, а также имеет множество приложений в технике. В сочетании с тепловой конвекцией этот эффект используется для разделения изотопов в жидких и газовых смесях [7, 8]. Термодиффузия используется для определения состава нефти и разделения ее компонентов [9], нанесения различных покрытий на изделия из металлов
Стр.7
Введение 7 и играет важную роль в процессе выращивания кристаллов. Еще один пример практического применения рассматриваемого эффекта дает тепловой насос [10]. Термодиффузия также влияет на течения в морях и океанах, где массы соленой воды подвергаются различным режимам нагрева [11, 12]. Роль эффекта Соре важна и при переносе вещества через клеточные мембраны [13]. Основу модели термодиффузии бинарной смеси составляет система уравнений Навье –Стокса, дополненная уравнениями тепло- и массопереноса (вывод уравнений см., например, в работах [14, 15]). Часто используется приближение Обербека –Буссинеска, предназначенное для описания конвективных течений в естественных земных условиях. Предполагается, что плотность смеси линейно зависит от температуры и концентрации легкого компонента: ρ = ρ0(1−β1T −β2C). (0.1) Здесь ρ0 — плотность смеси при средних значениях температуры и концентрации, а через T и C обозначены малые отклонения от средних значений; β1 — коэффициент теплового расширения смеси; β2 — концентрационный коэффициент плотности (β2 > 0, поскольку C — концентрация легкого компонента). Движение смеси описывается системой уравнений [3, 4] ut + (u ·∇)u = − ρ0∇p + ν∇2u + g(β1T + β2C), 1 Tt + u ·∇T = χ∇2T, Ct + u ·∇C = D∇2C + αD∇2T, ∇· u = 0, где u — вектор скорости; p — отклонение давления от гидростатического; ν — коэффициент кинематической вязкости; g — (0.2)
Стр.8
8 Введение вектор ускорения свободного падения; χ — коэффициент температуропроводности; D — коэффициент диффузии; α — параметр термодиффузии. Все характеристики среды предполагаются постоянными и соответствуют средним значениям температуры и концентрации. Параметр термодиффузии имеет вид α = −DT/T0D, где DT — коэффициент термодиффузии; T0 — средняя температура. Нормальной термодиффузии соответствуют значения α<0, а для аномальной термодиффузии α>0. При выводе системы (0.2) предполагается [16], что диффузионный поток компонента смеси равен i = −ρ0(D∇C +DT∇T). В чистой жидкости эффекта Соре нет, поэтому коэффициент DT должен обращаться в ноль при C = 0 и C = 1. Поскольку для малых отклонений температур и концентраций от равновесных значений T0 и C0 все коэффициенты переноса можно считать постоянными, то часто используется соотношение DT = C0(1 − C0)DT , причем DT также называется коэффициентом термодиффузии [16]. В частном случае (C = 0, α = 0) система (0.2) переходит в систему уравнений свободной конвекции однородной жидкости (модель Обербека –Буссинеска). Для данной модели известно достаточно много точных решений, значительная часть которых приведена в монографиях [3, 17]; они являются стационарными, т. е. не зависят от времени. Эти работы посвящены исследованию устойчивости различных типов конвективных течений, а также механического равновесия. Групповые свойства уравнений свободной конвекции в плоском случае изучались в статье [18], а для стационарных плоских течений — в более ранней работе [19] (см. также монографию [5]). В указанных работах построен ряд точных решений, часть из которых была найдена ранее другими методами.
Стр.9