Một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng quá trình lan truyền của sóng áp suất trong hỗn hợp lỏng - hơi tới vận tốc của hỗn hợp

Hỗn hợp Lỏng - Hơi là hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi. Hỗn hợp này thường gặp nhiều trong tự nhiên và quá trình kỹ thuật. Trong bài viết này sẽ trình bày một số kết quả nghiên cứu về quá trình lan truyền của sóng áp suất trong hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi dẫn đến sự thay đổi bán kính của bọt và sự ảnh hưởng của nó tới và vận tốc của một số hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi như: Nước, dầu thô, freon 21.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng quá trình lan truyền của sóng áp suất trong hỗn hợp lỏng - hơi tới vận tốc của hỗn hợpNguyễn Văn Tuấn và ĐtgTạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ185(09): 33 - 37MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH LANTRUYỀN CỦA SÓNG ÁP SUẤT TRONG HỖN HỢP LỎNG - HƠITỚI VẬN TỐC CỦA HỖN HỢPNguyễn Văn Tuấn*, Hoàng Diệu Linh, Nguyễn Thị Kim ThoaTrường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái NguyênTÓM TẮTHỗn hợp Lỏng - Hơi là hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi. Hỗn hợp này thường gặp nhiều trong tựnhiên và quá trình kỹ thuật. Trong bài báo này sẽ trình bày một số kết quả nghiên cứu về quá trìnhlan truyền của sóng áp suất trong hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi dẫn đến sự thay đổi bán kính củabọt và sự ảnh hưởng của nó tới và vận tốc của một số hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi như: nước,dầu thô, freon 21….Từ khóa: Chất lỏng, bọt hơi, sóng, van đóng, pha, hỗn hợp, áp suất.MỞ ĐẦU*Hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi là môitrường hai pha có tính chất đặc biệt. Tronghỗn hợp do có sự kết hợp của các tính chấtphi tuyến, tính phân tán và hao tán nănglượng nên biểu đồ mô tả các sóng có nhiềudạng. Đặc biệt, khi thay đổi các điều kiệnthủy động lực, sẽ dẫn đến sự thay đổi mạnhcác cấu trúc của sóng và các quá trình tươngtác giữa các pha. Khi sóng lan truyền tronghỗn hợp, các bọt trong hỗn hợp sẽ bị co nénnên trong hỗn hợp sẽ xảy ra hiện tượng traođổi nhiệt và trao đổi khối lượng giữa các phavà xuất hiện vận tốc của hỗn hợp. Về độnglực học sóng, đã có nhiều công trình khoahọc trong nước và trên thế giới quan tâmnghiên cứu các quá trình lan truyền của sóngtrong hỗn hợp chất lỏng chứa bọt [4] và [6],các hiện tượng bất thường xảy ra khi sónglan truyền và bị va đập vào van đóng chặndòng chảy hai pha được nghiên cứu và đượctrình bày trong [1] và [6]; tính phi tuyến củahỗn hợp lỏng bọt được thể hiện rõ trong quátrình tương tác giữa các sóng được trình bàytrong [2] và [5]; trong các quá trình trên, mộtvấn đề không thể tách rời, đó là quá trìnhtrao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha,vấn đề này có thể tìm hiểu tại [2] và [3].Ngoài ra khi có áp suất tác động vào hỗnhợp, các bọt bị co nén dẫn tới việc xuất hiện*Email: nltuan@tnut.edu.vnvận tốc của hỗn hợp hay đã có quá trìnhchuyển hóa năng lượng, đây là một vấn đềđã và đang được các nhà khoa học trên thếgiới và trong nước quan tâm nghiên cứu.Trong bài báo này, sẽ trình bày một số kếtquả nghiên cứu về quá trình lan truyền sóngáp suất trong hỗn hợp, quá trình này dẫn đếnxuất hiện vận tốc hỗn hợp của một số hỗnhợp chất lỏng chứa bọt hơi. Kết quả nghiêncứu mang lại đóng góp mới, có nhiều ýnghĩa cho lĩnh vực động lực học dòng chảynhiều pha và ứng dụng trong các ngành côngnghiệp năng lượng, chế biến và vận chuyểndầu khí.MÔ HÌNH TOÁN HỌCMôi trường hai pha được sử dụng là hỗn hợpcủa chất lỏng chứa bọt hơi được chứa trongống nằm ngang có chiều dài L. Giả thiếtrằng, bọt hơi hình cầu được phân bố đềutrong hỗn hợp, không có có sự phân chia bọtvà nồng độ thể tích pha hơi không quá lớn[6]. Cuối đường ống có một van đóng ốngđược chế tạo bởi vật liệu cứng tuyệt đối, hỗnhợp đứng yên trong ống. Tại một thời điểmnào đó có áp suất ban đầu tác động, sóng ápsuất lan truyền vào trong hỗn hợp, hỗn hợpbị nén lại, các bọt bị co nén, từ đó xuất hiệnvận tốc của hỗn hợp. Quá trình nén hỗn hợplan truyền tới cuối đường ống, và dừng lạitại van đóng, khi đó áp suất trong hỗn hợptại van được tăng cao nên bắt đầu lan truyền33Nguyễn Văn Tuấn và ĐtgTạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆngược lại. Do sự chênh lệch áp suất tronghỗn hợp, khối chất lỏng sẽ ở trạng thái chảyngược hay vận tốc của hỗn hợp cũng cóchiều ngược lại.vo=0Hình 1. Mô hình hỗn hợp Chất lỏng - Bọt tĩnhđược chứa trong ống có van đóngTrên cơ sở các phương trình bảo toàn khốilượng, số lượng bọt và xung lượng được trìnhbày như sau [3]:1  1 v(1)  4R 2 nj ;t 0  2  2 v 4R 2 nj ;t 0 n n v 0;t  0 v1 p 0;t  0 (2)(3)(4)4 i   i  i0 ; 1   2  1 ;   1   2 ;  2  R 3 n ;32(5)p   1 p1   2  p 2 ;R Các phương trình trên kết hợp với các phươngtrình thay đổi khối lượng của từng bọt,phương trình dòng nhiệt trong pha lỏng,phương trình dòng nhiệt trong pha hơi,phương trình tương thích biến dạng Rayleigh- Plesset biểu diễn áp suất của các pha và bánkính bọt, lập thành một hệ phương trình thủynhiệt động lực học kín mô tả quá trình lantruyền các sóng xung kích, các quá trìnhtương tác pha, các quá trình trao đổi nhiệt vàkhối lượng giữa các pha trong hỗn hợp lỏng –hơi [7]. Trong hệ phương trình trên, các chỉsố dưới i = 1, 2, 0 là các tham số của chấtlỏng, hơi và trạng thái cân bằng ban đầu; i,pi, i, 0 là phần thể tích, áp suất, mật độtrung bình và mật độ thực của pha thứ i; v làvận tốc hỗn hợp; n là số lượng bọt trong mộtđơn vị thể tích; R là bán kính bọt; j là tỷ lệ34185(09): 33 - 37của sự chuyển pha trong một đơn vị diện tíchbề mặt giữa các pha;  là hệ số sức căng bềmặt;  là toạ độ Lagrange và t là thời gian.Giải hệ phương trình thủy – nhiệt động lựchọc trên với các điều kiện đầu, điều kiện biênđược thành lập trên cơ sở mô hình khảo sát đãđặt ra và được trình bày như sau:t  0 : p1  p0 ; p2  p0 2;RR  R0 ; T1  T2  T0 ;vo  0; w1  w2  0;  0 .  0 : p  pe ;p0; Ltrong đó L là độ dài của ống khảo sát.CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬNHệ phương trình trên đã được giải bằngphương pháp số, dựa trên phương pháp Ơlebiến đổi và phương pháp khử đuổi qua thuậttoán Thomas. Chương trình tính đã được xâydựng và đã được kiểm định bằng cách so sánhcác kết quả nhận được với một số kết quảthực nghiệm và đã được trình bày tại [3].Chương trình này được sử dụng để nghiêncứu và phân tích các quá trình lan truyền củasóng áp suất trong hỗn hợp lỏng – hơi, quátrình co nén làm thay đổi bán kính của bọttrong hỗn hợp và sự ảnh hưởng của nó tới quátrình xuất hiện ...