Методы определения структуры математической модели гидродинамики потока жидкости и ее параметров

Впервые исследования влияния структуры потока жидкости на эффективность массопередачи в тарельчатых массообменных аппаратах были проведены в теоретических и экспериментальных работах зарубежных ученых, а в дальнейшем продолжены российскими учеными. Большой вклад в эти исследования с методологической точки зрения внесли работы В. В. Шестопалова и его учеников [16,21].

Несмотря на большое количество исследований тарельчатых аппаратов, многообразие методик и целей исследования вряд ли можно считать вопросы их расчета и моделирования решенными окончательно. В более ранних работах большинства ученых исследования проводились, как правило, на прямоугольных лотках либо на аппаратах небольших диаметров (100… 150 мм), а полученные параметры модели переносились на тарелки промышленного размера, что искажало истинную картину явлений, происходящих в структуре потока жидкости на тарелке, и вело к большим ошибкам в проектировании. При этом исследование структуры потока ограничивалось лишь определением зависимостей параметров выбранных моделей от гидродинамики и конструкции исследуемой тарелки.

Влияние неравномерностей в структуре потока на эффективность массопередачи тарелки в большинстве работ нс учитывалось, что приводило к большим ошибкам при расчетах вновь проектируемых массообменных аппаратов.

Не исследовалась также степень деформации параметров модели потоков с изменением диаметра аппарата до промышленных размеров.

Необходимо было создать и отработать методики количественного определения параметров модели на аппаратах промышленных размеров с целью применения их на стадии автоматизированного проектирования, либо при оптимальном конструировании исследуемого типа тарелок (ситчатые, клапанные, колпачковые) со строго ориентированным расположением направляющих перегородок, клапанов, колпачков на полотне тарелки.

В более ранних работах исследование структуры потоков предусматривало одновременное использование нескольких экспериментальных методов: метода установившегося состояния, импульсного возмущения и метода отсечки, позволяющих получить не только качественную картину распределения продольной и поперечной неравномерностей, но также и количественную оценку этих неравномерностей. Дальнейшие экспериментальные исследования в аппаратах диаметром более 1000 мм показали непригодность метода установившегося состояния — одного из основных по определению структуры математической модели потока жидкости на тарелке и ее параметров (Пекле — Ре/ и размеров зон с различной степенью перемешивания ^).

Впоследствии авторами [16,21,22] был разработан и реализован новый метод исследования — «метод моментов функции распределения времени пребывания по длине пути жидкости'», исключающий использование трудоемких методов — установившегося состояния и отсечки, что позволяет более чем на порядок сократить время эксперимента и повысить его точность.

Ниже приведены примеры формирования структуры жидкостных (гидродинамика) и парожидкостных потоков (кинетика массопередачи), а также описание этих структур с помощью математических моделей и их решения. Все это способствует развитию инновационных навыков у студентов, аспирантов машиностроительных и технологических вузов, работающих в области создания высоких технологий.