Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Теория роста и испарения аэрозольных капель во внешней газовой среде

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Теория роста и испарения аэрозольных капель во внешней газовой среде"

На правах рукописи

ЗНАК НАТАЛИЯ ЕВГЕНЬЕВНА

ТЕОРИЯ РОСТА И ИСПАРЕНИЯ АЭРОЗОЛЬНЫХ КАПЕЛЬ ВО ВНЕШНЕЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЕ

Специальность 03.00.16 - Экология (физико-математические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

00345 1V¿=>»

Москва - 2008

003451258

Работа выполнена на кафедре теоретической физики Московского государственного областного университета

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук, профессор Яламов Юрий Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Хасанов Анис Саляхович

кандидат физико-математических наук

Лебедева Алла Львовна Ведущая организация: Ярославский государственный

университет им. П.Г.Демидова

Защита состоится 13 ноября 2008 г. в 15.00 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.155.12 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук при Московском государственном областном университете по адресу: 105005, г. Москва, ул. Радио, д. 10 а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного областного университета

Автореферат разослан 13 октября 2008 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета,

кандидат биологических наук

А.В.Сердюкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актухтьность работы. Конденсационный рост и испарение капель жидкости в газообразной среде играют значительную роль в природе и в деятельности человека. Аэрозольные капли встречаются в атмосферных явлениях, в выбросах промышленных предприятий, активно используются в медицине при лечении катаральных заболеваний органов дыхания и туберкулеза, в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений, а также при защите растений от заморозков путем создания искусственных туманов. Развитие многих производственных процессов требует детального знания физических свойств аэродисперсных систем.

Актуальность исследований процесса испарения и конденсационного роста аэрозольных частиц во многом связана с решением ряда экологических проблем, в частности, с разработками методов воздействия на радиационный и температурный режим атмосферы, ее химический состав.

Центральной проблемой современной экологии является проблема предсказаний изменений климата, вызванных как естественными колебаниями в развитии природных процессов под воздействием планетарной эволюции Земли, мощным влиянием гелиокосмических факторов, так и антропогенной деятельностью. Прогрессирующее потепление климата, наблюдаемое свыше ста лет, приводит к увеличению испарения влаги с поверхности Мирового океана и с территории суши, что влечет за собой интенсификацию гидрологического цикла. Одновременно увеличивается количество влаги в атмосфере, возрастает распространение облачного покрова, больше выпадает атмосферных осадков, усиливается интенсивность общей глобальной циркуляции атмосферы и возрастает циклоническая активность с увеличением водности циклонов. В ряде районов, которые обычно подвержены засухам, засушливые периоды

становятся более продолжительными и суровыми, растет площадь опустынивания на всех континентах.

Описанные экофизические модели приводят к нарушению естественных биологических процессов развития экосистем и пагубно влияют на живые организмы.

Улучшение качества окружающей среды, прогнозирование и оценка возможности отрицательных последствий для окружающей среды, оптимизация инженерных, технологических и проектно-конструкторских решений, исходя из минимального ущерба окружающей среде, являются важнейшими задачами экологии.

В решении экологических проблем в настоящее время участвует комплекс наук, интегрирующих совершенствование механизма взаимодействия общества и природы ввиду их многогранности, специфики и разнородности, синтезируя физические, биологические, географические, социальные, экономические, инженерные и другие аспекты.

В области физики аэрозолей ведутся глубокие научные теоретические разработки, представляющие большой интерес не только в рамках физической науки, но и для решения таких прикладных задач как моделирование физических процессов, происходящих в экосистемах. К ним относятся методики оценки изменения водного баланса экосистем под влиянием антропогенных изменений концентрации парниковых газов и аэрозолей в атмосфере, задачи прогнозирования динамики метеорологических характеристик, численное моделирование процессов формирования облаков и осадков, физико-математические модели климата и его изменений. Такие исследования тесно связаны с проблемой испарения и конденсационного роста аэрозольных капель. Теории испарения и конденсационного роста аэрозольных капель посвящен ряд работ как теоретического, так и экспериментального характера. Тем не менее, существующие теории не достаточно полно описывают процессы

испарения и конденсации жидких атмосферных частиц. Не анализировалось непосредственное влияние коэффициента испарения жидкости капли на время испарения жидких аэрозольных частиц, не изучена роль диффузионного термоэффекта (эффекта Дюфура) в процессе испарения и роста умеренно крупных сферических капель жидкости. Настоящая работа посвящена исследованию данных вопросов.

Целыо работы является решение задачи испарения и роста умеренно крупной однокомпонентной и двухкомпонентной сферических капель в свете учета прямого влияния на фазовый переход коэффициента испарения жидкости, а также зависимость времени испарения данных частиц от термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии.

Научная новизна выносимых на защиту основных результатов работы состоит в том, что в ней впервые приведены соотношения для времени испарения умеренно крупной однокомпонентной и двухкомпонентной сферических капель с учетом влияния коэффициента испарения жидкости, определяющие влияние термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии на рассматриваемый процесс. В решении задач применен новый подход к постановке граничных условий, учитывающих влияние слоя Кнудсена на рассматриваемый процесс, заключающийся в прямом учете коэффициента испарения (конденсации) вещества капли. Выполнен анализ полученных результатов.

Научная и практическая ценность диссертации

Полученные результаты являются дальнейшим развитием теории квазистационарного испарения и роста аэрозольных капель.

В диссертации показано значительное влияние коэффициента испарения жидкости на время испарения умеренно крупной сферической капли; слабое влияние термодиффузии, диффузионного термоэффекта и энтальпии на время испарения умеренно крупной сферической капли.

б

Научные данные диссертации могут быть использованы при проведении экспериментальных исследований по определению коэффициентов испарения (конденсации) жидкостей капель. Полученные в работе результаты могут найти применение в практических разработках экологического характера, включающих в себя моделирование процессов, происходящих в экосистемах.

На защиту выносятся следующие вопросы:

1. Решение задачи об испарении умеренно крупной однокомпонентной сферической капли в свете учета прямого влияния коэффициента испарения жидкости на данный процесс.

2. Влияние термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии на время испарения однокомпонентной умеренно крупной сферической капли.

3. Определение зависимости времени испарения умеренно крупной двухкомпонентной сферической капли от коэффициентов испарения веществ, входящих в состав капли.

4. Влияние термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии на время испарения умеренно крупной двухкомпонентной сферической капли.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

1. На научных семинарах кафедры теоретической физики Московского государственного областного университета (МГОУ);

2. На ежегодных научных конференциях в МГОУ (Москва 2005-2007г.);

3. На XXIII-ей научной конференции стран СНГ «Дисперсные системы» (Одесса, 2008 г.).

Публикации по теме диссертации

По теме диссертации опубликовано 7 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура н объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (97 наименований). Материал изложен на 112 листах машинописного текста, включая 39 таблиц и 4 рисунка,

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены исследовательская проблема, цель и задачи работы, аргументирована научная новизна и практическое значение результатов, дана общая характеристика и структура работы.

В первой главе «Обзор теорий квазистационарного испарения и конденсационного роста капель жидких веществ», состоящей из двух параграфов, приведен обзор теорий квазистационарного испарения и конденсационного роста жидких капель. В первом параграфе «Испарение неподвижных капель чистых веществ в бинарных газовых смесях» рассмотрены работы по испарению неподвижных капель чистых веществ в бинарных газовых смесях. Второй параграф «Испарение капель растворов» посвящен обзору литературы, в которой исследовалось испарение капель растворов.

Впервые процесс испарения неподвижной крупной капли, протекающий в диффузионном режиме, в 1890 г. описал Максвелл Дж.К. В 1915 г. Ленгмюр указал на возможность существования скачка концентрации у поверхности капли. В 1932 г. Фукс H.A. получил выражения, позволяющие приближенно учитывать влияние слоя Кнудсена на процесс испарения, предложив для этого использовать метод, получивший название метода граничной сферы. Другой метод учета скачка концентрации, называемый методом серой поглощающей сферы, детально описан в работах Иваницкого Г.К., Нужного В.М., Шимановского Ю.И.

Испарение и рост капель целесообразно рассматривать в квазистационарном диффузионном приближении, принимая во внимание в виде поправок скачок концентрации пара и скачок температуры у поверхности капли. При решении задач об испарении и конденсации крупной капли температуру газа у поверхности капли можно считать равной температуре поверхности, а концентрацию паров вещества капли

равной концентрации насыщенных паров. Если нужно учесть влияние на процесс испарения слоя Кнудсена, то сначала, решая объемные уравнения переноса, находят выражения для распределений температуры и относительной концентрации вне слоя Кнудсена. Затем, интерполируя эти выражения до поверности капли, находят постоянные интегрирования с помощью граничных условий. Этот метод разработан и представлен в научных трудах Яламова Ю.И., Алехина Е.И., Галояна B.C., Ивченко И.Н., Мурадяна С.М. Задача нахождения точных решений кинетических уравнений для реальных потенциалов взаимодействия молекул между собой и с поверхностью капли является математически очень сложной. В связи с этим применяются различные приближенные методы описания газокинетических процессов, предложенные Яламовым Ю.И., Алехиным Е.И., Гайдуковым М.Н., Гнедовец А.Г., Ивченко И.Н., Мурадяном С.М., Неизвестным А.И., Татевосяном A.M., Угловым A.A., а также зарубежными учеными Loyalka S.K., Dohara N., Soné Y., Onishi Y., Paul B.

После появления лазерной техники возрос интерес к изучению особенностей испарения капель при поглощении электромагнитного излучения. Первые работы, в которых рассматривалось воздействие электромагнитного поля на капли, были проведены Вильямсом Ф.А. в 1965 г., а также Золотовой Ш.К. и Шифриным К.С. в 1966 г. Исследования в данном направлении проводились такими учеными как Бисягин В.П., Букатый В.И., Иванов Е.В., Ильин Н.М., Коровин В.Я., Погодаев В.А., Пустовалов В.К., Романов Г.С., Рудаш В.К., Соколов A.B., Стрелков Г.М.

В окрестности капли могут возникать значительные перепады температуры, например, при испарении капель в сильно перегретых средах или испарении капель тугоплавких веществ в поле лазерного излучения. В связи с этим вывод соотношений, позволяющих оценивать скорость и время диффузионного испарения капель при значительных перепадах

температуры, когда нужно учитывать зависимость от температуры коэффициентов переноса, представляет теоретический и практический интерес. Решение задачи о протекающем в диффузионном режиме сферически симметричном испарении капли при значительных перепадах температуры приводилось в работах Яламова Ю.И. и его сотрудников, а также Алексеева И.М., Свиркунова П.Н.

При конвективном режиме испарения на процесс тепло- и массопереноса в окрестности капли существенное влияние оказывает массовое движение газообразной среды. Впервые предположение о возможности существования вблизи поверхности испаряющегося тела гидродинамического течения газообразной среды, направленного от поверхности, было высказано Стефаном в 1881 г. В конвективном (стефановском) режиме испарение капель может протекать или в сильно перегретых средах или при интенсивном нагреве капель внутренними источниками тепла. В случае источников электромагнитной природы это хорошо показано в работах Sutton C.W., Букатого В.И., Кузиковского A.B., Погодаеза В.А., Хмелевцова С.С. Соотношения, позволяющие оценивать протекающее в конвективном режиме при малых относительных перепадах температуры, сферически симметричное испарение капли в бинарных газовых смесях, приведены в работах Грачева Ю.Н., Зуева В.Е., Кузиковского A.B., Погодаева В.А., Рудаш В.К., Стрелкова Г.М., Хмелевцова С.С., Чистякова JI.K.

Маргилевским А.Е. решена задача об изотермическом и неизотермическом квазистационарном испарении сферической частицы в среде собственного пара при произвольном коэффициенте испарения и числе Кнудсена.

Черняк В.Г. исследовал испарение и конденсационный рост одиночной аэрозольной частицы в неравновесной паро-газовой смеси. Рассчитанные им кинетические коэффициенты при произвольном числе

Кнудсена использовал для описания испарения капли в оптическом радиационном поле.

Kulmala М., Vasala Т. исследовали эффект Дюфура, эффект флуктуации насыщения на росте капель.

Задачи испарения (конденсационного роста) капель растворов решались Буйковым М.В., Ивченко И.Н., Мазловским A.A., Седуиовым Ю.С., Яковлевым В.Ф., а также Mattila Т„ Kulmala М., Vasala Т.

В данной работе рассматривается испарение (конденсационный рост) сферических однокомпонентной и двухкомпонентной умеренно крупных жидких капель в диффузионном режиме. В решении задач применен новый подход к постановке граничных условий на поверхности капли, учитывающих влияние слоя Кнудсена на рассматриваемый процесс. Он заключается в прямом учете коэффициента испарения или конденсации вещества капли жидкости.

Во второй главе диссертации «Квазистационарное испарение и конденсационный рост однокомпонентной сферической капли в бинарной газовой смеси» рассматривается квазистационарное испарение и конденсационный рост однокомпонентной сферической капли в бинарной газовой смеси. Теоретически исследуется влияние коэффициента испарения жидкости капли, термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии на процесс испарения однокомпонентной капли жидкости.

В первом параграфе второй главы «Прямое влияние коэффициента испарения жидкости на испарение однокомпонентной сферической капли» получено теоретическое выражение для времени испарения однокомпонентной умеренно крупной сферической капли при прямом учете коэффициента испарения жидкости. Проведены численные оценки времени испарения по выведенным соотношениям. Отмечено

существенное влияние коэффициента испарения жидкости капли на время испарения рассматриваемой капли.

Предположим, что сферическая капля радиуса Я взвешена в бинарной вязкой смеси газов. На поверхности капли происходит фазовый переход одного из компонентов внешней смеси. Радиус капли велик по сравнению со средними длинами свободного пробега компонентов внешней смеси, но не настолько, чтобы не учитывать коэффициент испарения или конденсации жидкости капли. Внешняя среда будет характеризоваться средней вязкостью Г){]е, плотностью р0е и температурой Т0е на большом расстоянии от капли. Относительные перепады температуры в окрестностях капли будем полагать много меньше единицы, что позволит в ходе решения уравнений газовой динамики считать коэффициенты молекулярного переноса (вязкости, диффузии и теплопроводности) постоянными величинами. Числа Пекле также предполагаются много меньше единицы.

Распределение скоростей, давлений и температур во внешней среде и внутри капли находятся из линеаризованных уравнений гидродинамики и теплопроводности:

Г|еу2у(е)=ур(е)) (1)

сНуУ(е) = 0 , (2)

v2т>o, (3)

У21>0, (4)

У2С1е=0. (5)

В (1) - (5) приняты следующие обозначения: индексы «е» и <«» указывают на отношение величин к областям вне и внутри капли соответственно; С|е - относительная концентрация первого компонента внешней смеси, Те - температура внешней среды, Т, - температура внутри

■I, Vм - скорость центра инерции

капли, р - давление внешней среды, внешней среды.

Для определения времени испарения рассматриваемой капли используем следующие граничные условия на поверхности капли.

Непроницаемость поверхности капли для радиального потока второго компонента бинарной внешней смеси выражается условием:

'I

5г

= 0.

(6)

г=И

На поверхности капли непрерывен радиальный поток первого компонента внешней смеси:

п у(е)-П(е)6 ^

аШеЧ 12 Р 2 -

ОТ

= ^Ое^^

-С1е + С$ен)(Т0е) +

+

дС\?

А

(Те-Т0е)

Тс=Т0е

• (7)

Здесь используются следующие обозначения: п01е,п02е- средние концентрации молекул первого и второго компонентов внешней смеси, О^'- коэффициент взаимной диффузии внешней смеси, пое = п01е + п02е " средняя концентрация молекул внешней смеси, Ш), га2- массы молекул первого и второго компонентов внешней смеси соответственно; р; и рг - коэффициенты, определяемые выражениями

3!

'0е

т.

Рое

/

т,

0е

Ое

V =

кТ

-Ч 1/2

^ТИП, J

(8)

(9)

где V - — часть средней абсолютной скорости молекул пара, к-постоянная

Больцмана, а- коэффициент испарения (конденсации) вещества капли, гЧЮ

- относительная насыщающая концентрация первого компонента внешней смеси при температуре Т0е.

Условие (10) выражает непрерывность радиального потока тепла с учетом тепла, идущего на фазовый переход на поверхности капли:

<И\

Хе ^ Xi ~

ОТ ог

= -Lm,n0eva

-Cle+CW(T0e) +

r=R

+

seif

ЭТ.

(те-т0е)

t=R Te*T0t

(10)

В (Ю) хе" теплопроводность внешней смеси, Хг теплопроводность вещества капли, Ь- удельное тепло фазового перехода вещества капли.

В результате решения поставленной задачи получаем выражение для определения времени испарения однокомпонентной умеренно крупной сферической капли:

1„сп. = Рк(о{2)п0ехе(Я0 -К')+(п02еУахе +

+ Lra,noevaDf2)

YRQ -R

ÖT

е Л

'2 >Л ))

(D^m.n^vaCl)"1'. (Ш

В (11) 110 - начальный радиус капли, Я' - текущий радиус капли, рк - плотность вещества капли, С[ = (Т0е)-С1да), С1с0- концентрация

первого компонента внешней смеси на большом расстоянии от капли.

Для проведения численных оценок по (11) в качестве примеров рассматривалось испарение водяной капли в бинарной газовой смеси воздух - водяной пар и испарение капли, веществом которой является этиловый спирт при Т0е=275 К и давлении р=7,9-104 Па. Предполагалось, что размер капли изменяется от 110=8-10"бм до 11'=0,3'10~6м. Расчеты выполнены в диапазоне значений коэффициента испарения ОС от 0,001 до 1. 3 данном параграфе выполнен анализ полученных результатов, который показал, что с уменьшением значения коэффициента испарения а время испарения умеренно крупной капли увеличивается. Отмечено существенное влияние коэффициента испарения жидкости на время испарения рассматриваемых капель: для воды оно на 2059,1 % больше при значении а=0,001, чем при а=1; для этилового спирта - на 1521,2 % больше при а =0,001, чем при а=1.

Во втором параграфе «Влияние термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии на испарение однокомпонентной сферической капли» получены выражения, определяющие дополнительный вклад, вносимый термодиффузией, эффектом Дюфура и энтальпией во время испарения (конденсационного роста) умеренно крупной сферической капли.

Для решения данной задачи использовались следующие граничные условия:

В условии (12) отражена непроницаемость поверхности капли для радиального потока второго компонента бинарной внешней смеси. Здесь

V

5г Тп„ дг

=0. (12)

г=Я

К^о - термодиффузионное отношение, О^Рг-

Тое

термодиффузионный поток второго компонента.

е

- радиальный

Эг

Соотношение (13) выражает непрерывность радиальной составляющей скорости первого компонента внешней смеси на поверхности капли:

, к^ат

дх

Т0е 5Г

= п0еуа

-С1е+С{ен)(Т0е) +

г=а

+ -

ЭС™

5Т,

Ое

А

(Те-Т0е)

Те=Т0е

(13)

Условие (14) выражает непрерывность радиального потока тепла на поверхности капли с учетом тепла, идущего на фазовый переход, энтальпии и эффекта Дюфура:

Хе Х1 ~ | дг дг )

\

-Ьт,п0еуа -С1е + С|ен)(Т0е) +

г=а

+ -

ас<:

зт.

Л

(те-т0е)

г=Я Те =Тое

■Ь,ш1]1-Ь2т232+В

дг

(14)

В (14) приняты следующие обозначения:

I =11 У(е)-0(е)В ^-П-В 5Те

дг Т0е ОТ

дт Т0е 5г

V(е)гл(е) 12

(15)

(16) (17)

с^-с^Г

Здесь Ь2 - удельные энтальпии первого и второго компонентов газовой смеси, - радиальные потоки первого и второго компонентов вне капли, Б обозначает член, представляющий собой поток тепла, обусловленный эффектом Дюфура, р - давление газовой смеси.

Решая задачу, получаем следующее выражение для времени испарения однокомпонентной умеренно крупной сферической капли, учитывающее влияние на рассматриваемый процесс термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии:

'исп2 - Рк

О^Пое^-К^оК-К'),

' 'кй ЭС(Н)

Т0е 5Т0е

+ п02еуа

Хе+О

ас^У^-я'2^

дт,

Ое У

/V

Г /

°12т1П0еУаС1

V

Хе~

-1

V

Ое )) (18)

В (18) не входят величины и т2, что указывает на то, что второй компонент газовой смеси не испытывает фазовый переход на поверхности капли.

Для определения вклада, вносимого термодиффузией во время испарения рассматриваемой капли, перепишем выражение (18) без учета эффекта Дюфура и энтальпии:

О<12П0ет1уаЬ

V ^Ое 5Т0е ]

+ П 02еУ«Хе

V

Хе

(19)

у/

Выполнены численные оценки времени испарения по соотношениям (18), (19) для водяной капли и капли, состоящей из этилового спирта. Как и в предыдущем параграфе, Т0е=275 К, р=7,9-104 Па, 110=8-10"6м, К/=0,3'10"6м.

На рисунке 1 показана зависимость времени испарения от коэффициента испарения жидкости (вещество капли - вода) с учетом и без учета термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии.

1,7 1,5 1,3 1,1 0,9

Рис Л. Зависимость времени испарения однокомпонентной умеренно крупной капли ¿исп от коэффициента испарения жидкости (вещество капли- вода) а :

1- с учетом термодиффузии, энтальпии и эффекта Дюфура;

2- без учета термодиффузии, энтальпии и эффекта Дюфура.

Рисунок 2 отражает зависимость времени испарения от коэффициента испарения жидкости (вещество капли - этиловый спирт) с учетом и без учета термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии.

Анализ результатов показал, что термодиффузия вносит пренебрежимо малый вклад во время испарения рассматриваемых капель, эффект Дюфура и энтальпия оказывают незначительное влияние на время испарения умеренно крупной однокомпонентной сферической капли, которое возрастает с увеличением коэффициента испарения вещества капли. Для капли, веществом которой является вода, значение времени

2

0,1 0,2 0,3 0.4 0,5 0,6 0,7 0.« 0,9 1

а

испарения, рассчитанного с учетом термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии, при а =0,001 на 0,3 % выше значения, полученного без учета данных эффектов; при а=1 - выше на 6,4 %.

'»СП. = 'I 0,28 0,26 0,24 0,22 0,20 " 0,18 " 1С -

Рис.2. Зависимость времени испарения однокомпонентной умеренно крупной капли от коэффициента испарения жидкости (вещество капли- этиловый спирт) а :

1- с учетом термодиффузии, энтальпии и эффекта Дюфура;

2- без учета термодиффузии, энтальпии и эффекта Дюфура.

Кроме того, учет термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии приводит к незначительному изменению влияния а на время испарения капли: при а=0,001 время испарения водяной капли на 1935,7 % больше,

2

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0.6 0,7 0,8 0,9 I

а

чем при а=1, а для времени испарения, рассчитанного без учета указанных эффектов, данный показатель составляет 2059,1 %; для капли, веществом которой является этиловый спирт, при а =0,001 время испарения на 1419,0% больше, чем при а=1, а для времени испарения, рассчитанного без учета указанных эффектов, данный показатель составляет 1521,2%.

Учет термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии позволяет рассчитывать время испарения умеренно крупных сферических однокомпонентных капель более точно.

В третьем параграфе сформулированы основные результаты и выводы, полученные во второй главе диссертации.

Третья глава «Квазистационар'ное испарение и конденсационный рост двухкомпонентной сферической капли в тройной газовой смеси» посвящена исследованию квазистационарного испарения и конденсационного роста двухкомпонентной умеренно крупной сферической капли в тройной газовой смеси.

В первом параграфе «Прямое влияние коэффициента испарения жидкости на испарение двухкомпонентной сферической капли» приведено решение задачи об испарении двухкомпонентной капли, оба компонента которой испаряются во внешний газ, создавая вокруг капли трехкомпонентную газовую смесь. Теория строится для умеренно крупной капли сферической формы с учетом влияния коэффициентов испарения жидкостей, входящих в состав капли. Рассмотрено влияние термодиффузии на данный процесс.

Линеаризованная система уравнений тепло- и массопереноса имеет

вид:

ЛеУ2У(е) =7р(е), (20)

V Те = О, У2Т; =0,

V2C( =0,

(23)

(24)

(25)

Здесь С]е— относительная концентрация первого компонента внешней смеси, С2е- относительная концентрация второго компонента внешней смеси.

Граничные условия на поверхности капли имеют вид:

г^ + ^(3, % + ^р2 ^ + В{?р. от от

Т0е ЙГ

(е)п КТО(2,3) ЭТе

Т0е 5Г

= 0,

г=11

дт

Ое

дт

= п0еу,а,х

Г=Р-

-С1в+с«(т0в)

+

эт„

г=(1 Те=Т0!

от

(Те-Т0е)

Тое аг,

= п0еУ2а2х

г=Я

-С2е+С2НЛТ0е) +

пС(н

ЭТ.

(Те-Т0е)

Те=Тое

(26)

(27)

(28)

В уравнениях (26) - (28) П01е-средняя концентрация молекул первого компонента внешней смеси, п02е- средняя концентрация молекул второго

компонента внешней смеси, п03е- средняя концентрация молекул третьего компонента внешней смеси, К - радиус капли, О^Э^- коэффициенты взаимной диффузии внешней смеси, Ш], Ш2, т3- соответственно массы молекул первого, второго и третьего компонентов внешней смеси, а|,а2-коэффициенты испарения (конденсации) веществ капли, Соотносительная насыщающая концентрация первого компонента внешней смеси при температуре Т0е, коэффициенты, зависящие от параметров

внешней смеси, ¡Зи (32, Р3 и средняя концентрация молекул внешней смеси П0е определяются выражениями

2 П1, - 2 ПЬ л 2 тч

Р. = П0е —^Р2 = П0е — , Рз = П0е ~ > П0е = "о.е + П02е + П03е. (29)

Рое

-1 Рое

С,е+С2е+С3е=1.

(30)

Рое

Здесь С1е« 1, С2е« 1.

1

У[,У2 - — — части средних абсолютных скоростей молекул пара

рассчитываются по формулам:

' кт V'2

V, =

где к-постоянная Больцмана. ог ск , Г=К

> =

кТ

ч. 1/2

2%т

(31)

2

Хе ^ Х>

Цт1П0е

+

<н)

ЭТ.

(Те -Т0е)

г=К Тг«Т0е

-Ь2ш2п0еУ2а2(-С2е+С(2нЛт0е)+-

дС™

+

дТ

(те-т0е)

r = R

А

(32)

е тс=т0с

Условие (32) выражает непрерывность радиального потока тепла на поверхности капли с учетом фазовых переходов. Здесь х.е~ теплопроводность внешней смеси, - теплопроводность вещества капли, Ь,-удельное тепло фазового перехода первого компонента вещества капли, Ь2-удельное тепло фазового перехода второго компонента вещества капли.

В ходе решения задачи в диссертационном исследовании получено выражение для определения времени испарения двухкомпонентной умеренно крупной сферической капли.

Для проведения расчетов рассматривалась капля, состоящая из смеси воды и этилового спирта, взятых в равных долях при Т0е=275 К, р=7,9-104 Па, К0 =8-10"6 м; Я' =0,3-10"6 м. Результаты расчетов отражены в таблицах, приведенных в тексте диссертации, показывающих зависимость времени испарения двухкомпонентной умеренно крупной капли от коэффициента испарения этилового спирта а2 (в диапазоне значений от 0,001 до 1) при различных значениях коэффициентов испарения воды а, (в диапазоне значений от 0,001 до 1).

На рисунке 3 показана зависимость времени испарения двухкомпонентной умеренно крупной капли от коэффициента испарения этилового спирта а2 при а 1 =0,001 и при а^!.

Рис.3. Зависимость времени испарения двухкомпонентной умеренно крупной капли ¿исп от коэффициента испарения этилового спирта а2:

1- при а,=0,001;

2- При СХ! = 1.

Анализ полученных данных показывает, что коэффициент испарения этилового спирта а2 оказывает существенное влияние на время испарения двухкомпонентной сферической капли: при а, =0,001, а2 =0,001 время испарения на 1311 % больше, чем при а! =0,001, а2=1; при 0^=1, а2 =0,001 - на 230,5 % больше, чем при а,=1, а2=1.

Термодиффузия вносит незначительный вклад во время испарения рассматриваемой капли, что позволяет пренебречь ее влиянием при решении многих инженерных и экологических задач. В этом случае

расчетные формулы имеют менее громоздкий вид, что заметно упрощает их применение.

Коэффициент испарения воды а, оказывает меньшее влияние на процесс испарения двухкомпонентной капли, чем коэффициент испарения этилового спирта а2: при оц =0,001, а2 =0,001 время испарения капли на 366,3 % больше, чем при 0^ = 1, а2 =0,001; при а, =0,001, а2=1 - на 9,2 % больше, чем при СХ; = 1, СХ2=1.

Во втором параграфе «Влияние термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии на испарение однокомпонентной сферической капли» рассмотрено влияние эффекта Дюфура и энтальпии на время испарения двухкомпонентной капли, оба компонента которой испаряются во внешний газ.

На рисунке 4 показана зависимость времени испарения двухкомпонентной умеренно крупной капли от коэффициента испарения этилового спирта а2(при ссг =0,001) с учетом и без учета термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии.

Результаты расчетов, проведенных по полученным в данном параграфе выражениям, показали, что учет эффекта Дюфура и энтальпии приводит к незначительному увеличению времени испарения рассматриваемой капли, причём при малых значениях а] с увеличением а2 влияние на время испарения данных эффектов возрастает: значение времени испарения, рассчитанного с учетом термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии, при а, =0,001, а2 =0,001 на 0,6 % выше значения, полученного без учета данных эффектов; при а, =0,001, а2=1 - выше на 6,5 %; при 0^=1, а2 =0,001 - выше на 6,2 %; при а,=1, а2=1 - на 5,7 %.

Учет термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии приводит к незначительному изменению влияния <Х2 на время испарения капли: при

а, =0,001, а2 =0,001 время испарения капли на 1232,9 % больше, чем при ОЦ =0,001, 0С2=1> для вРемени испарения, рассчитанного без учета указанных эффектов, данный показатель составляет 1311,0 %; сх, =1, а2 =0,001 - на 232,2 % больше, чем при а,=1, для времени

испарения, рассчитанного без учета указанных эффектов, данный показатель составляет 230,5 %.

Рис.4. Зависимость времени испарения двухкомионентной умеренно крупной капли ¿цСП от коэффициента испарения этилового спирта а2 при а, =0,001:

1- с учетом термодиффузии, энтальпии и эффекта Дгофура;

2- без учета термодиффузии, энтальпии и эффекта Дюфура.

Учет термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии позволяет более точно оценивать время испарения двухкомпонентных сферических капель. Однако, принимая во внимание их незначительное влияние на исследуемый в данной работе процесс, в ряде инженерных и экологических задач для определения времени испарения умеренно крупной двухкомпонентной сферической капли допустимо использование формул, не учитывающих данные эффекты.

В третьем параграфе приведены основные результаты и выводы, полученные в третьей главе диссертации.

В заключении содержатся основные выводы научного исследования и предложения по применению построенной в работе теории конденсационного роста и испарения умеренно крупных сферических аэрозольных капель в научно-теоретических, экспериментальных и в прикладных экологических исследованиях.

В диссертации представлены следующие результаты и выводы проведенного исследования:

- получены аналитические выражения для определения времени испарения или конденсационного роста однокомпонентной умеренно крупной сферической капли, позволяющие выполнить анализ непосредственного влияния коэффициента испарения или конденсации жидкости капли на время испарения или конденсации данной частицы, а также оценить роль термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии в исследуемом процессе;

- на основе анализа численных оценок времени испарения однокомпонентной умеренно крупной сферической капли сделаны выводы о значительном влиянии коэффициента испарения жидкости капли, слабом влиянии термодиффузии, диффузионного термоэффекта и энтальпии на время испарения умеренно крупных сферических капель;

- выведены соотношения для расчета времени испарения или конденсационного роста двухкомпонентной умеренно крупной сферической капли с учетом коэффициентов испарения или конденсации жидкостей, входящих в состав капли, термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии. Представлена запись новых граничных условий, имеющих место на поверхности умеренно крупных капель концентрированных растворов при наличии двойного фазового перехода. Газовая фаза представляет собой тройную смесь с непроницаемым для поверхности капли несущим газом;

- по полученным выражениям проведены численные оценки (на примере испарения капли, состоящей из смеси воды и этилового спирта, взятых в равных долях), анализ которых показал, что коэффициент испарения этилового спирта (Х2 оказывает существенное влияние на время испарения двухкомпонентной сферической капли; коэффициент испарения воды 0С[ оказывает меньшее влияние на процесс испарения двухкомпонентной капли, чем <Х2; термодиффузия вносит пренебрежимо малый вклад во время испарения рассматриваемой капли; эффект Дюфура и энтальпия не существенно сказываются на времени испарения двухкомпонентной умеренно крупной сферической капли.

Практический выход теоретических расчетов по исследуемому вопросу испарения и конденсационного роста капель жидкости представляется возможным в решении прикладных экофизических задач при совместном использовании построенной в работе модели испарения и конденсационного роста умеренно крупной сферической капли и моделей испарения и конденсационного роста капель, относящихся к другим категориям классификации аэрозольных частиц по размерам (крупные, частицы с промежуточными размерами и мелкие).

Результаты исследований зависимости времени испарения аэрозольных частиц от коэффициентов испарения жидкостей капель, представленные во второй и в третьей главах диссертации, могут быть применены в научно-теоретических, экспериментальных и в прикладных экологических исследованиях.

1) В научно-теоретических исследованиях:

- при построении экофизических моделей свойств аэрозоля, что является одним из теоретических звеньев многоступенчатого процесса разработки сценариев изменения климата. Условия рассеивания и выведения аэрозольных частиц из атмосферы учитываются в моделях свойств аэрозоля, оказывающего существенное влияние на климатические характеристики атмосферы. В зависимости от соотношения между аэрозольным поглощением и рассеянием и от альбедо поверхности количество радиационной энергии, получаемой планетой, может как увеличиваться, так и уменьшаться. Изменение радиационных потоков в аэрозольной атмосфере приводит к изменению ее температурной стратификации, а также к изменению температуры земной поверхности.

- при экологическом прогнозировании времени рассеивания тумана, смешанного с твердыми аэрозолями антропогенного и естественного происхождения для более точного определения показателей изменения погодных условий. Степень содержания таких частиц в водяной капле определяет значение коэффициента испарения жидкости капли, от которого, в свою очередь, зависит время испарения капли. Соотношения, определяющие зависимость времени испарения умеренно крупной сферической однокомпонентной капли от коэффициента испарения вещества капли при различных условиях, получены во второй главе диссертации «Квазистационарное испарение и конденсационный рост однокомпонентной сферической капли в бинарной газовой смеси».

2) В экспериментальных исследованиях:

- при определении коэффициентов испарения жидкостей капель: зная время испарения умеренно крупной жидкой капли, полученного опытным путем, вычисляется коэффициент испарения жидкости капли.

3) В прикладных экологических исследованиях:

- при создании искусственного микроклимата, необходимого для лечебно-профилактической ингаляции людей, животных и птиц; при климатических испытаниях многих технических устройств; при выращивании сельскохозяйственных культур в специальных камерах -фитотронах; при качественном хранении ряда культур сельскохозяйственных урожаев; при разведении дорогих пород рыб;

- при увлажнении кондиционируемого воздуха;

- при оптимизации режимов работы системы кондиционирования воздуха в целом;

- при парфюмеризации воздуха;

- при проведении дезинфекции, дезинсекции, дезодорации помещений.

По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Статьи, опубликованные в журнале, рекомендованном ВАК РФ

1. Яламов Ю.И., Знак Н.Е. Прямое влияние коэффициента испарения

жидкости на испарение однокомпонентной сферической капли. // Вестник МГОУ. № 2. Серия: «Физика - Математика» - М.: МГОУ, 2008.

2. Яламов Ю.И., Знак Н.Е. Прямое влияние коэффициента испарения

жидкости на испарение двухкомпонентной сферической капли. // Вестник МГОУ. № 2. Серия: «Физика - Математика» - М.: МГОУ, 2008.

Статьи, опубликованные в иных изданиях

3. Яламов Ю.И., Знак Н.Е. Теория фазового перехода в окрестности

умеренно крупной сферической однокомпонентной капли. МГОУ.

- М., 2008. - 10 с. Деп. в ВИНИТИ № 445-В2008.

4. Яламов Ю.И., Знак Н.Е. Теория фазового перехода в окрестности

умеренно крупной сферической двухкомпонентной капли. МГОУ.

- М., 2008. - 32 с. Деп. в ВИНИТИ № 444-В2008.

5. Яламов Ю.И., Знак Н.Е. Вычисление времени испарения жидкой

однокомпонентной летучей сферической капли // ХХШ-я научная конференция стран СНГ «Дисперсные системы»: тезисы докладов -Одесса: Астропринт, 2008. - С. 384 - 385.

6. Яламов Ю.И., Знак Н.Е. Вычисление времени испарения жидкой

двухкомпонентной летучей сферической капли // XXIII-я научная конференция стран СНГ «Дисперсные системы»: тезисы докладов -Одесса: Астропринт, 2008. - С. 386 - 387.

7. Яламов Ю.И., Знак Н.Е. Теория испарения и конденсационного роста

умеренно крупных аэрозольных капель. МГОУ. - М., 2008. - 98 с. Деп. в ВИНИТИ № 752-В2008.

Подписано в печать: 10.10. 2008 г. Бумага офсетная. Гарнитура (dimes New Roman». Печать офсетная. Формат бумаги 60/84 Усл. п.л 2.0.

__Тираж 100 экз. Заказ № 87._

Изготовлено с готового оригинал-макета в Издательстве МГОУ. 105005, г. Москва, ул. Радио, д. 10-а, тел.: 265-41-63, факс: 265-41-62

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Знак, Наталия Евгеньевна

Глава I Обзор теорий квазистационарного испарения и конденсационного роста капель жидких веществ

§1.1 Испарение неподвижных капель чистых веществ в бинарных газовых смесях

§ 1.2 Испарение капель растворов / ! ;

ГЛАВА II Квазистационарное испарение и конденсационный рост однокомпонентной сферической капли в бинарной газовой смеси

§2.1 Прямое влияние коэффициента испарения жидкости капли на испарение однокомпонентной сферической капли

§ 2.2 Влияние термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии на испарение однокомпонентной сферической капли

Введение Диссертация по биологии, на тему "Теория роста и испарения аэрозольных капель во внешней газовой среде"

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ Конденсационный рост и испарение капель жидкости в газообразной среде играют значительную роль в природе и в деятельности человека.Аэрозольные капли встречаются в атмосферных явлениях, в выбросах промышленных предприятий, активно используются в медицине при лечении катаральных заболеваний органов дыхания и туберкулеза, в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений, а также при защите растений от заморозков путем создания искусственных туманов. Развитие многих производственных процессов требует детального знания физических свойств аэродисперсных систем.Актуальность исследований процесса испарения и конденсационного роста аэрозольных частиц во многом связана с решением ряда экологических проблем, в частности, с разработками методов воздействия на радиационный и температурный режим атмосферы, ее химический состав.Центральной проблемой современной экологии является проблема предсказаний изменений климата, вызванных как естественными колебаниями в развитии природных процессов под воздействием планетарной эволюции Земли, мощным влиянием гелиокосмических факторов, так и антропогенной деятельностью. Прогрессирующее потепление климата, наблюдаемое свыше ста лет, приводит к увеличению испарения влаги с поверхности Мирового океана и с территории суши, что влечет за собой интенсификацию гидрологического цикла. Одновременно увеличивается количество влаги в атмосфере, возрастает распространение облачного покрова, больше выпадает атмосферных осадков, усиливается интенсивность общей глобальной циркуляции атмосферы и возрастает циклоническая активность с увеличением водности циклонов. В ряде районов, которые обычно подвержены засухам, засушливые периоды становятся более продолжительными и суровыми, растет площадь опустынивания на всех континентах.Описанные экофизические модели приводят к нарушению естественных биологических процессов развития экосистем и пагубно влияют на живые организмы.Улучшение качества окружающей среды, прогнозирование и оценка возможности отрицательных последствий для окружающей среды, оптимизация инженерных, технологических и проектно-конструкторских решений, исходя из минимального ущерба окружающей среде, являются важнейшими задачами экологии.В решении экологических проблем в настоящее время участвует комплекс наук, интегрирующих совершенствование механизма взаимодействия общества и природы ввиду их многогранности, специфики и разнородности, синтезируя физические, биологические, географические, социальные, экономические, инженерные и другие аспекты [1-11].В области физики аэрозолей ведутся глубокие научные теоретические разработки, представляющие большой интерес не только в рамках физической науки, но и для решения таких прикладных задач как моделирование физических процессов, происходящих в экосистемах. К ним относятся методики оценки изменения водного баланса экосистем под влиянием антропогенных изменений концентрации парниковых газов и аэрозолей в атмосфере [12, 13], задачи прогнозирования динамики метеорологических характеристик [14, 15], численное моделирование процессов формирования облаков и осадков [16], физико-математические модели климата и его изменений [17 -20]. Такие исследования тесно связаны с проблемой испарения и конденсационного роста жидких аэрозольных капель. Ей посвящен ряд работ как теоретического, так и экспериментального характера [21 - 84]. Тем не менее, существующие теории не достаточно полно описывают процессы испарения и конденсации жидких атмосферных частиц. Не изучалось непосредственное влияние коэффициента испарения жидкости капли на время испарения аэрозольных капель, не достаточно изучена роль диффузионного термоэффекта (эффекта Дюфура) в процессе испарения и роста указанных частиц. Настоящая работа посвящена исследованию данных вопросов.Целью работы является решение задачи испарения и роста умеренно крупной однокомпонентной и двухкомпонентной сферических капель в свете учета прямого влияния на фазовый переход коэффициента испарения жидкости, а также зависимость времени испарения данных частиц от термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии.Научная новизна выносимых на защиту основных результатов работы состоит в том, что в ней впервые приведены соотношения для времени испарения умеренно крупной однокомпонентной и двухкомпонентной сферических капель с учетом влияния коэффициента испарения жидкости. В решении задачи применен новый подход к постановке граничных условий, учитывающих влияние слоя Кнудсена на рассматриваемый процесс. Он заключается в прямом учете коэффициента испарения (конденсации) вещества капли. Получены зависимости, определяющие влияние термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии на время испарения умеренно крупной однокомпонентной и двухкомпонентной сферических капель. Выполнен анализ полученных результатов.Научная и практическая ценность диссертации Полученные результаты являются дальнейшим развитием теории квазистационарного испарения и роста аэрозольных капель.В диссертации показано значительное влияние коэффициента испарения жидкости на время испарения умеренно крупной сферической капли; слабое влияние термодиффузии, диффузионного термоэффекта и энтальпии на время испарения умеренно крупной сферической капли.Научные данные диссертации могут быть использованы при проведении экспериментальных исследований по определению коэффициентов испарения (конденсации) жидкостей капель. Полученные в работе результаты могут найти применение в практических разработках экологического характера, включающих в себя моделирование процессов, происходящих в экосистемах.На защиту выносятся следующие вопросы: 1. Решение задачи об испарении умеренно крупной однокомпонентной сферической капли в свете учета прямого влияния коэффициента испарения жидкости на данный процесс.2. Влияние термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии на время испарения однокомпонентной умеренно крупной сферической капли.3. Определение зависимости времени испарения умеренно крупной двухкомпонентной сферической капли от коэффициентов испарения веществ, входящих в состав капли.4. Влияние термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии на время испарения умеренно крупной двухкомпонентной сферической капли.Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались: 1. На научных семинарах кафедры теоретической физики Московского государственного областного университета (МГОУ); 2. На ежегодных научных конференциях в МГОУ (Москва 2005-2007г.); 3. На ХХШ-ой научной конференции стран СНГ «Дисперсные системы» (Одесса, 2008 г.).Публикации по теме диссертации По теме диссертации опубликовано 7 работ, список которых приведен в конце диссертации [91 - 97].Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (97 наименований). Материал изложен на 112 листах машинописного текста, включая 39 таблиц и 4 рисунка.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Знак, Наталия Евгеньевна

В третьей главе диссертации рассмотрено квазистационарное испарение двухкомпонентной сферической капли, оба компонента которой независимо друг от друга испаряются во внешний газ, создавая вокруг капли трехкомпонентную газовую смесь. Задача решена для умеренно крупной капли сферической формы с учетом коэффициентов испарения жидкостей, входящих в состав капли, термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии. Дана запись новых граничных условий, имеющих место на поверхности умеренно крупных капель концентрированных растворов при наличии двойного фазового перехода. Газовая фаза представляет собой тройную смесь с непроницаемым для поверхности капли несущим газом.В первом параграфе получено теоретическое выражение для времени испарения умеренно крупной сферической капли с учетом влияния коэффициентов испарения компонентов капли и термодиффузии.Приведено соотношение для времени испарения без учета термодиффузии.По полученным выражениям проведены численные оценки (на примере испарения капли, состоящей из смеси воды и этилового спирта, взятых в равных долях), анализ которых показал, что коэффициент испарения этилового спирта ос2 оказывает существенное влияние на время испарения двухкомпонентной сферической капли; коэффициент испарения воды си

оказывает меньшее влияние на процесс испарения двухкомпонентной капли, чем СС2; термодиффузия вносит пренебрежимо малый вклад во время испарения рассматриваемой капли.Во втором параграфе получено выражение для определения времени испарения двухкомпонентной умеренно крупной сферической капли, позволяющее оценить дополнительный вклад, вносимый эффектом Дюфура и энтальпией.5. Численные оценки показали, что эффект Дюфура и энтальпия не существенно сказываются на времени испарения двухкомпонентнои умеренно крупной сферической капли.ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации представлены следующие результаты и выводы проведенного исследования: • получены аналитические выражения для определения времени испарения или конденсационного роста однокомпонентной умеренно крупной сферической капли, позволяющие выполнить анализ непосредственного влияния коэффициента испарения или конденсации жидкости капли на время испарения или конденсации данной частицы, а также оценить роль термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии в исследуемом процессе; на основе анализа численных оценок времени испарения однокомпонентной умеренно крупной сферической капли сделаны выводы о значительном влиянии коэффициента испарения жидкости капли, слабом влиянии термодиффузии, диффузионного термоэффекта и энтальпии на время испарения умеренно крупных сферических капель; • выведены соотношения для расчета времени испарения или конденсационного роста двухкомпонентной умеренно крупной сферической капли с учетом коэффициентов испарения или конденсации жидкостей, входящих в состав капли, термодиффузии, эффекта Дюфура и энтальпии.Представлена запись новых граничных условий, имеющих место на поверхности умеренно крупных капель концентрированных растворов при наличии двойного фазового перехода. Газовая фаза представляет собой тройную смесь с непроницаемым для поверхности капли несущим газом; • по полученным выражениям проведены численные оценки (на примере испарения капли, состоящей из смеси воды и этилового спирта, взятых в равных долях), анализ которых показал, что коэффициент испарения этилового спирта СС7 оказывает существенное влияние на время испарения двухкомпонентной сферической капли; коэффициент испарения воды (Х оказывает меньшее влияние на процесс испарения двухкомпонентной капли, чем а 2 ; термодиффузия вносит пренебрежимо малый вклад во время испарения рассматриваемой капли; эффект Дюфура и энтальпия не существенно сказываются на времени испарения двухкомпонентной умеренно крупной сферической капли.Практический выход теоретических расчетов по исследуемому вопросу испарения и конденсационного роста капель жидкости представляется возможным в решении прикладных экофизических задач при совместном использовании построенной в работе модели испарения и конденсационного роста умеренно крупной сферической капли и моделей испарения и конденсационного роста капель, относящихся к другим категориям классификации аэрозольных частиц по размерам (крупные, частицы с промежуточными размерами и мелкие).Результаты исследований зависимости времени испарения аэрозольных частиц от коэффициентов испарения жидкостей капель, представленные во второй и в третьей главах диссертации, могут быть применены в научно теоретических, экспериментальных и в прикладных экологических исследованиях.1) В научно-теоретических исследованиях: • при построении экофизических моделей свойств аэрозоля, что является одним из теоретических звеньев многоступенчатого процесса разработки сценариев изменения климата. Условия рассеивания и выведения аэрозольных частиц из атмосферы учитываются в моделях свойств аэрозоля, оказывающего существенное влияние на климатические характеристики атмосферы. Так, непоглощающий аэрозоль увеличивает альбедо атмосферы и, следовательно, уменьшает количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли.Если аэрозоль поглощает в коротковолновой области спектра, то поглощенная энергия солнечного излучения передается атмосфере. Это приводит к нагреванию атмосферы и охлаждению подстилающей поверхности. Если аэрозоль поглощает и соответственно испускает энергию в инфракрасной области спектра, то это приводит к противоположному результату, то есть энергия выводится из тропосферы, что приводит к охлаждению воздуха и усилению парникового эффекта у поверхности Земли. Общий эффект зависит от коэффициентов поглощения в видимой и инфракрасной области, а также от альбедо поверхности. Изменение радиационных потоков в аэрозольной атмосфере приводит к изменению ее температурной стратификации, а также к изменению температуры земной поверхности. • при экологическом прогнозировании времени рассеивания тумана, смешанного с твердыми аэрозолями антропогенного и естественного происхождения для более точного определения показателей изменения погодных условий. Степень содержания таких частиц в водяной капле определяет значение коэффициента испарения жидкости капли, от которого, в свою очередь, зависит время испарения капли. Соотношения, определяющие зависимость времени испарения умеренно крупной сферической однокомпонентной капли от коэффициента испарения вещества капли при различных условиях, получены во второй главе диссертации «Квазистационарное испарение и конденсационный рост однокомпонентной сферической капли в бинарной газовой смеси».2) В экспериментальных исследованиях: • при определении коэффициентов испарения жидкостей капель: зная время испарения умеренно крупной жидкой капли, полученного опытным путем, вычисляется коэффициент испарения жидкости капли.3) В прикладных экологических исследованиях: • создание искусственного микроклимата, необходимого для лечебно профилактической ингаляции людей, животных и птиц; при климатических испытаниях многих технических устройств; при выращивании сельскохозяйственных культур в специальных камерах - фитотронах; при качественном хранении ряда культур сельскохозяйственных урожаев; при разведении дорогих пород рыб; • увлажнение кондиционируемого воздуха; • оптимизация режимов работы системы кондиционирования воздуха в целом; • парфюмеризации воздуха; • проведение дезинфекции, дезинсекции, дезодорации помещений; • установки пожаротушения тонкораспыленной водой, применяемые для подавления очагов пожаров в автодорожных тоннелях и на объектах метрополитена.По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Знак, Наталия Евгеньевна, Москва

1. Иванов Б.А. Инженерная экология. - Л.: Изд-во Лен. ун-та, 1989.

2. Плотников В.В. На перекрестках экологии. - М.: Мысль, 1985.

3. Раманд Ф. Основы прикладной экологии. Пер. с франц. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

4. Смит Дж., М. Модели в экологии. - М.: Мир, 1976.

5. Уиттекер Р. Сообщества и экосистемы. - М.: Прогресс, 1980.

6. Эколого-экономические системы: Модели, информация, эксперимент / В.И.Гурман, В.А.Дыхта, Н.Ф.Кашина и др. - Новосибирск: Наука, 1987.

7. Гмошинский Е.Г., Флиорент Г.И. Теоретические основы инженерного прогнозирования. - М.: Наука, 1973.

8. Рюмина Е.В. Моделирование взаимосвязей народного хозяйства и природоохранительной деятельности // Экономика и мат. методы. 1991. Т. 27. Вып. 2.

9. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. - М., 1978.

10. Роберте Ф.С. Дискретные математические модели с приложениями к социальным биологическим и экологическим задачам. - М., 1986.

11. Балацкий О.Ф. Разработка и реализация целевых комплексных программ по охране окружающей среды. - Киев. 1985.

12. Амелин А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара. - М., 1972. - 303 с.

13. Биненко В.И. Влияние изменчивости парниковых газов, облаков и аэрозолей на экосистему Земли // Проблемы теоретической и прикладной экологии: Сб. науч. тр. - СПб.: ГГГМУ, 2005. - 76 - 83.

14. Атмосферный аэрозоль и его влияние на перенос излучения / Под ред. К.Я.Кондратьева. -Л . : Гидрометеоиздат, 1978. — 120 с.

15. Ивлев А.С., Андреев Д. Оптические свойства атмосферных аэрозолей. - Л : Изд. ЛГУ, 1986.

16. Морачевский В.Г. Особенности фазовых переходов воды в загрязненной атмосфере // Современные проблемы метеорологии. 1981. Вып. 73. 46 -64.

17. Аэрозоль и климат / Под ред. К.Я.Кондратьева. - Л.: Гидрометеоиздат. 1991.-191 с.

18. Chylek P., Coakley J.A., Jr. Aerosols and climate. - Science, 1974. Vol. 183. P.75-77.

19. Влияние облачности на радиацию и климат / К.Я.Кондратьев, В.И.Биненко. - Л.: Гидрометеоиздат. 1984. - 240 с.

20. Петренчук О.П. Экспериментальные исследования атмосферного аэрозоля. - Л.: Гидрометеоиздат. 1979. — 264 с.

21. Maxwell Y.C. Collected Scientific Papers, Cambridge. 1890. v. 11. - P. 625.

22. Фукс H.A. Испарение и рост капель в газообразной среде. - М.: АН СССР, 1958. - 92 с.

23. Нужный В.М., Шимановский Ю.И., Иваницкий Г.К. Некоторые вопросы диффузионной теории испарения капель летучих жидкостей. // Кол. ж. 1965. т. 27. №4. -С. 582-588.

24. Яламов Ю.И., Галоян B.C. Динамика капель в неоднородных вязких средах.- Е.: Луйс, 1985.- 208 с.

25. Алехин Е.И. Граничные условия в динамике разреженных неоднородных многокомпонентных газов: канд. дис. - М., 1990. - 125 с.

26. Sone Y., Onishi Y. Kinetic theory of evaporation and condensation. // Y.Phys. Soc. Yapan. 1973. V. 35. № 6. - P. 1773-1776.

27. Onishi Y., Sone Y. Kinetic theory of evaporation and condensation - Hydrodynamic equation and slip boundary condition. // Y.Phys. Soc. Yapan. 1978. V. 44. № 6. - P. 1981-1994.

28. Яламов Ю.И., Ивченко И.Н., Мурадян СМ. Теория испарения сферических капель при произвольных числах Кнудсена. // Докл. АН СССР. 1981. Т. 258. № 5. - 1106-1110.

29. Onishi Y., DoharaN. The behavior of a vapor gas around its spherical droplet. // Y.Phys. Soc. Yapan. 1984. V. 53. № 1. - P. 178-186.

30. Углов А.А., Гнедовец А.Г. Конденсация и испарение капли в смеси пара и газа с сильно отличающимися массами молекул. // Докл. АН СССР. 1986. Т. 286. № 5. - 1112-1115.

31. Ивченко И.Н. О нестационарном испарении с плоской поверхности жидкости. // ТВТ. 1987. Т. 25. № 4. - 823-825.

32. Углов А.А., Гнедовец А.Г. Испарение и конденсационный рост капли в поле лазерного излучения. // Физика и химия обработки материалов. 1988. № 2. - 28-38.

33. Loyalka S.K: Approximate method in the kinetic theory. // Phys. Fluids. V.14. №11 . -P . 2291-2294.

34. Гайдуков M.H., Татевосян A.M., Яламов Ю.И. О газокинетическом выводе граничных условий на поверхности жидкости. // Физика аэродисперсных систем и физическая кинетика: Сб. МОПИ им. Н.К. Крупской. - М., 1979. - 138-148. Деп. в ВИНИТИ, № 30142-79.

35. Paul В. Compilation of evaporation coefficient. // Amer. Rocket. Soc. Y. 1962. V. 32.-P. 1321-1328.

36. Неизвестный А.И. Результаты экспериментального определения коэффициента конденсации воды. Обзор. - Обнинск.: ВНИИГМИ МЦД, 1976.-51 с.

37. Романов Г.С., Пустовалов В.К. Просветление полидисперсной облачной среды, содержащей капли воды, под действием интенсивного монохроматического излучения. //ЖТФ. 1977. Т. 47. вып. 1. - 168-173.

38. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. - М.: Сов. Радио, 1970. - 496 с.

39. Романов Г.С., Пустовалов В.К. Просветление облачной атмосферы, содержащей капли воды, интенсивным монохроматическим излучением. // Журнал прикладной спектроскопии. 1973. Т. 19. - 332-339.

40. Armstrong R.L. Aerosol heating evaporation by pulsed light beams. // Applied Optics. 1984. V. 23. № 1. - P. 148-155.

41. Рыкалин H.H., Углов A.A., Кокоре A.H. Лазерная обработка материалов. - М.: Машиностроение, 1975. - 293 с.

42. Williams F.A. On vaporization for mist by radiation. // International Y. of Heat and Mass Transfer. 1965. V. 8. - P. 575-587.

43. Шифрин K.C., Золотова Ш.К. Кинетика испарения капли в радиационном поле.//Изв. АН СССР ФАО. 1966. Т. 11.-С. 1311-1315.

44. Борн М., Вольф Э. Основы оптики.- М.: Наука, 1973. - 719 с.

45. Шифрин К.С. Расчеты радиационных характеристик облаков. // Труды ГГО им. Воейкова. -Л . : Гидрометеоиздат, 1961. № 109. - 179-190.

46. Иванов Е.В., Коровин В.Я. Испарение капель воды в поле непрерывного излучения СО - лазера. // ИФЖ. 1978. Т.34. № 5. - 807-812.

47. Букатый В.И., Погодаев В.А. Испарение водяной капли под действием инфракрасного излучения. //Изв. ВУЗов Физика. 1970. № 1. - 141-142.

48. Рудаш В.К., Бисяргин В.П., Ильин Н.М., Соколов А.В., Стрелков Г.М. Испарение больших капель воды под действием инфракрасного излучения. // Квантовая электроник. 1973. № 3. - 21-26.

49. Стрелков Г.М. Об испарении водяной капли. // Изв. АН СССР, ФАО. 1973. Т. 9. - 652-655.

50. Стрелков Г.М. О диффузионном испарении водяной капли. // Изв. АН СССР, ФАО. 1974. Т. 10. - 1224-1227.

51. Пустовалов В.К., Романов Г.С. Испарение капли в диффузионном режиме под действием монохроматического излучения. // Квант. Электроника. 1977. Т. 4. № 1. - 84-94.

52. Алексеев И.М., Свиркунов П.Н. Испарение твердых частиц под действием лазерного излучения. // I Всесоюзное совещание по атмосферной оптике: тезисы докладов. Ч. 2. —Томск. 1976. - 200-202.

53. Sutton C.W. Рассеивание тумана мощным лазером. // Ракетная техника и космонавтика. 1970. Т. 8. № 10. - 196-199.

54. Кузиковский А.В., Погодаев В.А., Хмелевцов С. Испарение водной капли под действием светового импульса. // ИФЖ. 1971. Т.20. - 21-25.

55. Зуев В.Е., Кузиковский А.В., Погодаев В.А, Хмелевцов С, Чистякова Л.К. Тепловое воздействие оптического излучения на водные капли малого размера. // ДАН СССР. 1972. Т. 20. - 1069-1072.

56. Кузиковский А.В. Динамика сферической частицы в мощном оптическом поле. // Изв. ВУЗов. Физика. 1970. № 5. - С 89-94.

57. Стрелков Г.М., Рудаш В.К. Конвективное испарение водяной капли в поле излучения. // Препринт № 20 (132). - М.: Инст-т радиот. и электрон. АН СССР. 1973.-28 с.

58. Грачев Ю.Н., Стрелков Г.М. Влияние коэффициента аккомодации на процесс испарения. // Изв. ВУЗов. Физика. 1975. № 11. - С27-33.

59. Буйков М.В. Нестационарный рост капли раствора. I. Концентрационная релаксация. // Колл. ж. 1962. Т. 24. № 5. - 522-529.

60. Watts R.S. The maximum relaxation times for evaporating liquid droplets. // The Y. Atmosph. Sci. 1972. V. 29. - P. 208-211.

61. Рейтер Э.И. Исследование нестационарного тепло- и массообмена при испарении капель: канд. дис. -Таллин, 1972. - 98 с.

62. Колесник И.Л. Исследование кинетики испарения и конденсационного роста капель: канд. дис. - М., 1971. - 115с.

63. Ивченко И.Н., Мурадян СМ. Об испарении сферических капель в бинарной газовой смеси при произвольных числах Кнудсена. // Изв. АН СССР. Сер. МЖГ. 1982. № 1. - 112-118.

64. Углов А.А., Гнедовец А.Г. Испарение и конденсационный рост капли в поле лазерного излучения. // Физика и химия обработки материалов, 1988. № 2. - 28-36.

65. Углов А.А., Гнедовец А.Г. Нагрев капли в газовой атмосфере импульсным лазерным излучением. // Физика и химия обработки материалов. 1985. № 4. - С 10-15. по

66. Маргилевский А.Е. К теории массопереноса от одиночной аэрозольной частицы в разреженном газе при произвольных числах Кнудсена: канд. дис. - Свердловск, 1984 г.

67. V. Chernyak. The kinetic theory of droplet evaporation. // J. Aerosol Sci. 1995, V. 26. №6. -P . 873-885.

68. M. Kulmala, T. Vasala. Condensation in the continuum regime. // J. Aerosol Sci. 1991. V. 22. № 3. - P. 337-346.

69. Товбин M.B. Физическая химия. - Киев: Высшая школа, 1975. - 488 с.

70. Седунов Ю.С. Физика образования жидкокапельной фазы в атмосфере. - Л.: Гидрометеоиздат, 1942. - 72 с.

71. Ивченко И.Н. Об испарении (росте) капель растворов при произвольных числах Кнудсена. // ЭТФ. 1985. Т. 55. Вып. I. - 42-46.

72. Буйков М.В. Нестационарный рост капли раствора. // Колл. ж. 1962. Т.24. - 522-529.

73. Мазловский А.А., Яковлева В.Ф. Испарение капель смесей низкокипящих жидкостей. // В кн.: Материалы физико-химической, промышленной и приборной секции III всесоюзной конференции по аэрозолям. - М.: Наука, 1977. - 19-21.

74. Т. Vasala, М. Kulmala, R. Rudolf, A. Vrtala, P.E. Wagner. Models for condensation of binary aerosol particles. // J. Aerosol Sci.. 1997. V. 28. № 4.-P. 565-598.

75. T. Mattila, M. Kulmala, T. Vasala. On the condensational growth of a multicomponent droplet. // J. Aerosol Sci. 1997. V. 28. № 4. - P. 553-564.

76. J. L. Griffin, S.K. Loyalka. Condensation on aerosol particles: boundary element formulation. // J. Aerosol Sci. 1996. V. 27. № 1. - P. 3-18.

77. A. Khlystov, H.M. Brink, A. Toivonen. Evaporation of ammonium nitrate aerosol in dmps / smps. // J. Aerosol Sci. 1996. V. 27. № 1. - p. S75-S76.

78. O. Zagorodnya, V.Nuznyi. Evaporation rate of thermostated water droplets evaporating into different inert gas invironments in diffusion and transitional regime. // J. Aerosol Sci. 1997. V. 28. № 1. - P. S501-S502. I l l

79. Алехин Е.И., Яламов Ю.И. Математические основы решения граничных задач кинетической теории многокомпонентных газов вблизи конденсированной фазы. // Учебное пособие к спецкурсу. - М.: МОПИ им. Н.К. Крупской, 1991. - 150 с.

80. Carstens Y.C., Williams A., Zung Y.T. Theory of droplet growth in clouds: II Diffusional internation between two growing droplets. // Y. Atmos. Sci. 1970. V. 27. № 8. - P. 798-803.

81. Грин X., Лейн В. Аэрозоли - дымы, пыли и туманы. - Л.: Химия, 1972. - 426 с.

82. Пустовалов К.В., Романов Г.С. Испарение капли в диффузионном режиме интенсивным оптическим излучением с учетом температурных зависимостей теплофизических параметров. // Докл. АН СССР. 1985. Т.24. № 1. _ с . 50-53.

83. Хирс Д., Паунд Г. Испарение и конденсация. - М.: Металлургия, 1966. - 196 с.

84. Райст П. Аэрозоли. - М.: Мир, 1987. - 278 с.

85. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. - М.: Наука, 1964. - 567 с.

86. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.- М.: Наука, 1972. - 721 с.

87. Зенкина О.Н., Лебедева А.Л., Яламов Ю.И. К вопросу о вычислении коэффициентов переноса и термодиффузионного отношения бинарных газовых смесей. - М.: МНУ, 2002. - 16 с. Деп. в ВИНИТИ. № 559-В2002.

88. Чепмен С , Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов. - М. 1960.-510 с.

89. Гиршфельдер Дж., Кэртисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. -М . : Изд. иностр. лит., 1961.

90. Waldmann L. Uber die Krafteines inhomogenen Gases auf kleine suspendierte Kugeln. Z. NatUrforsch. 1959.

91. Яламов Ю.И., Знак Н.Е. Прямое влияние коэффициента испарения жидкости на испарение однокомпонентной сферической капли. // Вестник МГОУ. № 2. Серия: «Физика - Математика» - М.: МГОУ, 2008.

92. Яламов Ю.И., Знак Н.Е. Прямое влияние коэффициента испарения жидкости на испарение двухкомпонентной сферической капли. // Вестник МГОУ. № 2. Серия: «Физика - Математика» - М.: МГОУ, 2008.

93. Яламов Ю.И., Знак Н.Е. Теория фазового перехода в окрестности умеренно крупной сферической однокомпонентной капли. МГОУ. - М., 2008. - 10 с. Деп. в ВИНИТИ № 445-В2008.

94. Яламов Ю.И., Знак Н.Е. Теория фазового перехода в окрестности умеренно крупной сферической двухкомпонентной капли. МГОУ. — М., 2008. - 13 с. Деп. в ВИНИТИ № 444-В2008.

95. Яламов Ю.И., Знак Н.Е. Вычисление времени испарения жидкой однокомпонентной летучей сферической капли // ХХШ-я научная конференция стран СНГ «Дисперсные системы»: тезисы докладов -Одесса: Астропринт, 2008. - 384 - 385.

96. Яламов Ю.И., Знак Н.Е. Вычисление времени испарения жидкой двухкомпонентной летучей сферической капли // ХХШ-я научная конференция стран СНГ «Дисперсные системы»: тезисы докладов -Одесса: Астропринт, 2008. - 386 - 387.

97. Яламов Ю.И., Знак Н.Е. Теория испарения и конденсационного роста умеренно крупных аэрозольных капель. МГОУ. - М., 2008. - 98 с. Деп. в ВИНИТИ № 752-В2008.