Справочник химика 21

Химия и химическая технология

Статьи Рисунки Таблицы О сайте English
Экспериментальные исследования процессов и аппаратов, в которых эти процессы проводятся, выполняются обычно не на натурных объектах, а на моделях. Поэтому необходимо знать, каким условиям должна удовлетворять модель и как должны проводиться эксперименты, чтобы обеспечивалось получение результатов, адекватно отражающих свойства изучаемого натурного объекта. На эти вопросы отвечает теория подобия.

ПОИСК





Основы физического моделирования (теория подобия)

из "Теоретические основы типовых процессов химической технологии"

Экспериментальные исследования процессов и аппаратов, в которых эти процессы проводятся, выполняются обычно не на натурных объектах, а на моделях. Поэтому необходимо знать, каким условиям должна удовлетворять модель и как должны проводиться эксперименты, чтобы обеспечивалось получение результатов, адекватно отражающих свойства изучаемого натурного объекта. На эти вопросы отвечает теория подобия. [c.69]
Соотношения между сходственными величинами для образца и модели характеризуются значениями констант подобия. Константа подобия — это отношение однородных сходственных величин для образца и модели. Так, константа геометрического подобия С представляет собой отношение сходственных геометрических размеров образца и модели. Например, если рассматривается движение жидкости в трубах, то щ = I jl = D jD , где I и I , D и D — длины и диаметры образца и модели (здесь и ниже одним штрихом обозначены величины, относящиеся к образцу, а двумя — к модели). [c.70]
При моделировании процессов, связанных с изменением свойств системы во времени, должно соблюдаться временное подобие. Это значит, что частицы в образце и модели, находящиеся в сходственных точках, проходят геометрически подобные траектории за промежутки времени, находящиеся в постоянных соотношениях, т. е. йх = х 1% . [c.70]
При геометрическом и временном подобии соблюдается подобие полей скоростей, температур, концентраций и других физических величин, т. е. а, = w /w , at = t jt , U = с j — константы. [c.70]
Для двух сравниваемых подобных систем каждая константа подобия имеет постоянное значение. Константы подобия показывают масштаб соответствующих величин в образце по сравнению с моделью. [c.70]
Рассмотренные условия подобия геометрических, физических и других характеристик образца и модели являются необходимыми, но недостаточными условиями для создания модели. Достаточные условия выявляются, исходя из того, что процессы в образце и модели должны описываться одними и теми же дифференциальными уравнениями. Вывод основных положений теории подобия рассмотрим на примере гидромеханических процессов. [c.71]
Выполненное преобразование уравнения (I. 150) называется подобным. Физический смысл полученного результата (I. 153) заключается в том, что для обеспечения подобия двух гидродинамических процессов недостаточно геометрического подобия и подобия полей всех существенных величин эти величины должны, кроме того, находиться в таких соотношениях, чтобы обеспечивалось равенство безразмерных комплексов, определяемых выражениями (I. 153). Следовательно, эти комплексы являются критериями подобия. Они имеют определенные обозначения и названия дат// = Но — критерий гомохронности (д1) = Рг — критерий Фруда p/(pw )=Eu — критерий Эйлера ш//v = Не—критерий Рейнольдса. Согласно (1.153), для обеспечения подобия критерии подобия для образца и модели (и таким образом, для всей группы подобных процессов или явлений) должны быть численно одинаковы. Это положение составляет содержание первой теоремы подобия. [c.72]
При известных Ке, Рг, Но и Гг из зависимости (I. 155) однозначно определяется значение Ей. Таким образом, для обеспечения подобия достаточно равенства определяющих критериев, относящихся к образцу и модели. Это положение составляет сущность третьей теоремы подобия. При численно одинаковых определяющих критериях равенство определяемых критериев получается как следствие. [c.74]
Положения, устанавливаемые тремя теоремами подобия, справедливы для любых процессов. Они используются как для постановки экспериментальных исследований, так и для математического описания процессов. [c.74]
Моделирование на основе приведенной зависимости является приближенным. Однако погрешность, возникающая за счет пренебрежения влиянием критерия Fr, невелика и приемлема для технических целей. В рассматриваемом случае задача экспериментального исследования сводится к установлению для объектов заданной формы (Г/= onst) явного вида зависимости Eu = /(Re). Такое исследование на модели можно проводить с той же жидкостью, что и в прототипе, изменяя соответственно скорость. Для моделирования необходимо равенство значений Re и Г , относящихся к образцу и модели. Из равенства значений Re вытекает условие, что поля скоростей в образце и модели должны быть связаны соотношением w jw = t v )l l v ). Следовательно, вязкости жидкостей, используемых в образце и модели, и скорости их движения должны находиться в определенных соотношениях, зависящих от размеров образца и модели. Если модель является 0,01 частью натуры [I jl — 100), то при одинаковых скоростях w — w кинематический коэффициент вязкости жидкости в модели должен быть в 100 раз меньше, чем в образце, а при использовании одной и той же жидкости (v =v ) скорость в модели должна быть в 100 раз больше, чем в образце. Такие условия не всегда могут быть выполнены точно, поэтому часто моделирование является приближенным. [c.75]
Под величиной I, входящей в критерии Re, Fr и Но понимается так называемый определяющий размер, т. е. такой размер системы, который определяющим образом влияет на распределение скоростей в объеме жидкости. Выбор его для конкретных систем будет рассмотрен ниже. [c.75]
Безразмерный комплекс Ни = а1/Х, характеризующий подобие граничных условий, называется критерием Нуссельта. Его можно рассматривать как безразмерный коэффициент теплоотдачи. Равенство критериев Нуссельта для образца и модели — следствие подобия геометрических и физических характеристик, а также подобия полей скоростей и температур. Поэтому критерий Нуссельта не является определяющим. [c.78]
Подобие процессов массопереноса. Процессы массопереноса описываются уравнением (1.147), поэтому критерии их подобия находятся путем подобного преобразования данного уравнения. [c.78]
В результате получается производный критерий, называемый диффузионным критерием Прандтля. Как и тепловой критерий Прандтля, он содержит только те величины, которые характеризуют свойства вещества, — транспортные коэффициенты, являющиеся мерой скорости переноса (по молекулярному механизму) количеств движения (V) и вещества (/)). Следовательно, критерий Ргд определяет, в каком соотношении находятся поля скоростей и концентраций в рассматриваемой подвижной среде (см. гл. V). [c.79]
Перенос вещества (массы) происходит через подвижную или неподвижную границу раздела. Поэтому при соблюдении подобия геометрических характеристик, полей физических величин, а также равенства определяющих критериев подобия (Род и Ргд) в образце и модели должно обеспечиваться подобие граничных условий, которые выражаются так же, как и для тепловых процессов — см. уравнение (I. 164), т. е. [c.80]
Критерии Ре, Аг и Но входят в зависимость (I. 173) в связи с тем, что для подобия процессов массопереноса в подвижных средах необходимо подобие полей скоростей или, иными словами, подобие гидродинамической обстановки в образце и модели. [c.80]


Вернуться к основной статье


© 2025 chem21.info Реклама на сайте