Гидродинамическая структура потоков

Структура потока — это характер движения элементов потока в аппарате. Траектории могут быть чрезвычайно сложными, что приводит к различному времени их пребывания в объеме. Однако эти характеристики важны при расчете аппаратов. Поэтому используют модели движения потока, в достаточной мере передающие структуру среды. Выделяют две наиболее упрощенные — модель идеального вытеснения и модель идеального смешения, а также модели промежуточного типа: ячеечная и диффузионная.

Модель идеального вытеснения предполагает, что в потоке все элементы движутся по параллельным траекториям с одинаковыми скоростями. Время пребывания в аппарате для всех элементов одинаково.

Согласно модели идеального смешения, любая порция входящего в аппарат потока мгновенно равномерно распределяется по всему объему, при этом координаты и скорость каждого отдельного элемента в любой момент времени, а также суммарное время его пребывания в аппарате имеют чисто случайное значение.

Ячеечная модель более реалистична. Она предполагает последовательное прохождение потоком ряда ячеек идеального смешения. Основным параметром модели служит число ячеек.

Согласно диффузионной модели, отклонения в движении элементов потока от случая идеального вытеснения осуществляются за счет их случайных блужданий.

Межфазный перенос субстанций

Проведение основных процессов химической технологии сопровождается переносом субстанций из ядра одной фазы через границу раздела фаз в другую фазу. В зависимости от вида субстанции выделяют массо, тепло и импульсопередачу. Часто происходит одновременный перенос нескольких видов субстанции.

В процессе межфазного переноса можно выделить три основные стадии: перенос субстанции от ядра потока к границе раздела фаз, перенос непосредственно через границу раздела фаз и перенос к ядру второго потока. Перенос от ядра потока к границе раздела фаз или наоборот называют отдачей субстанции, то есть тепло, массо или импульсоотдачей.

Процессы переноса субстанции характеризуются соответствующими коэффициентами.

Коэффициент массоотдачи — количество вещества компонента, переносимое от границы раздела фаз в ядро фазы или в обратном направлении за единицу времени через единицу межфазной поверхности в расчете на единицу движущей силы. В качестве движущей силы могут выступать разница химических потенциалов сред или разница концентраций компонента.

Коэффициент теплоотдачи характеризует количество тепла, переносимое от границы раздела фаз к ядру фазы или в обратном направлении за единицу времени через единицу межфазной поверхности в расчете на единицу движущей силы.

Коэффициент импульсоотдачи характеризует количество импульса, переносимое от границы раздела фаз к ядру или наоборот за единицу времени через единицу межфазной поверхности в расчете на единицу движущей силы.

Некоторые критерии гидродинамического подобия:

Критерий Рейнольдса — мера отношения сил инерции и вязкого трения.

Критерий Эйлера — мера отношения сил давления и инерции.

Критерий Фруда — мера отношения сил инерции и тяжести.

Критерий гомохронности характеризует нестационарность процесса переноса импульса.

Критерий Нуссельта — безразмерная форма коэффициента импульсоотдачи, смысл его определяется характерным линейным размером.

Критерий Фурье характеризует нестационарность процесса теплообмена.

Критерий Прандтля при идентичности граничных условий характеризует подобие полей температуры и скорости.

И другие критерии, многие из которых получаются отношением друг к другу уже перечисленных, например, критерий Галилея: Ga = Re²/Fr.