Вопросы механики многокомпонентных систем рассматривались в трудах Ф.И. Франкля, Н.А. Слёзкина, Х.А. Рахматулина, Р.И. Нигматулина и др. исследователей. Так, в основе механики многоскоростных континуумов, по данным Х.А. Рахматулина [1], для твёрдых и жидких фаз находится переход от дискретных пространств к их непрерывным взаимопроникающим аналогам - континуумам, причём гидродинамические параметры статистически усредняются по объёму.
Для постановки задачи моделирования зоны сжимаемого осадка [2] вводим ряд упрощений и допущений:
- полагаем, что рассматриваемая область находится в достаточном удалении от порога перколяции и влияние тепловых факторов на неё незначительно; поэтому режим принимаем изотермическим и ламинарным;
- рассматриваем двухфазную среду, пренебрегая газовой составляющей и твёрдыми остаточными фазами;
- не учитываем гравитационную составляющую в уравнениях импульсов;
- пренебрегаем поверхностными микроэффектами, считая размеры агрегатов больше 1 мкм;
- пренебрегаем вторичным гидратообразованием в вяжущем, так как, например, по данным [3], их количество незначительно и они слабо влияют на прочность сырца;
- частицы твёрдой фазы рассматриваем сферическими, несжимаемыми;
- принимаем стационарный режим, считая, что фильтровальная перегородка возникает внезапно при t=0;
- перколяционный переход осуществляется в бесконечно-тонком слое при концентрации твёрдой нестабильной фазы φ = φт*;
- предполагаем, что движение агрегатов в рассматриваемой области происходит без процессов агрегации и дробления.
Основы теории коагуляции были заложены М. Смолуховским; В.Г. Левич решал подобную задачу с учётом турбулентных пульсаций, М.Я. Фукс - с учётом преодоления энергетического барьера. А.Н. Крайко и А.А. Шрайбер рассматривали проблему коагуляции с учётом перехода энергии частицам или несущей фазы, В.В. Кафаров с сотрудниками - с учётом вторичного зародышеобразования, истирания кристаллов и их роста. Вероятностное агрегирование на уровне двух частиц рассматривалось Н.Б. Урьевым [4, 5]. В практической плоскости разработанный механизм агрегации реализован только для процесса осаждения частиц. Б.М. Долгоносов [6, 7] считает, что в сдвиговых потоках размер агрегата (частицы) поддерживается равновесным.
Рассмотрим элементарный объём в рассматриваемой области и применим к нему осреднённые уравнения механики взаимопроникающих скоростных континуумов c учётом вышеприведённых допущений.
Для каждой из фаз:
(1),
где ρi0 - истинная плотность i-й фазы; φi - объёмное содержание i-й фазы; φ - твёрдой фазы, (1-φ) - жидкой среды.
Уравнения сохранения масс
Для жидкой фазы:
, (2)
Для твёрдой фазы уравнение неразрывности:
. (3)
Уравнения импульсов.
Для жидкой несущей фазы:
, (4).
Первое и второе слагаемые правой части характеризуют осреднённое напряжение в жидкой фазе (осреднённое давление и тензор вязких напряжений). Последний член в (4) учитывает влияние на несущую фазу межфазных поверхностных взаимодействий.
Уравнение импульсов для твёрдой фазы:
, (5).
Алгебраическая сумма первого и второго слагаемых правой правой части представляет осреднённые напряжения в твёрдом фазе, а последний- межфазное воздействие жидкости на твёрдую фазу. В (2) - (5): V1, V2, - осреднённые по вероятности векторы скоростей жидкой и твёрдой фаз, F12, F21 - осреднённые значения межфазных сил, j - вероятностная концентрация твёрдой фазы в рассматриваемом объёме, Р1 и s2f - осреднённые давление в жидкости и эффективный тензор напряжений в твёрдой фазе.
Представленная совокупность уравнений достаточно сложна и нуждается в упрощении. Так как диаметр рассматриваемого горла мал, то можно пренебречь изменением кинематических параметров по поперечной оси y (в этом случае dP1/dy=0). Согласно [8, 9], инерционные эффекты учитываются для скоростей от 1м/с. Скорости фаз в поровой системе чрезвычайно низки (Re <<1), и это позволяет пренебречь инерционными членами в левых частях в уравнениях (4), (5).
Для формирования простейшей модели зоны сжимаемого осадка предполагаем, что рост давления в поре-истоке и увеличение сопротивления контактно-конденсационной перемычки изменяются симбатно, что обеспечивает постоянный расход вяжущего через горло, т.е. рассматриваем квазистационарный режим.
Исключая в левых частях элементы нестационарности, получим:
, (6),
, (7),
, (8),
. (9).
Складывая (6) и (7), получаем постоянство расхода суспензии:
; Vc= const , (10).
Принимая капилляр- горло достаточно длинным (l >>ρ), ограничимся одномерным случаем:
, (11),
, (12),
, (13),
. (14).
Полученная система позволяет проследить в квазистационарном режиме динамику отложения осадка, изменение его пористости и потерь давления, расход фильтрата. Так, в пренебрежении вязкостной составляющей в (13) для неподвижного осадка (V2=0):
(15),
, (16).
Получаем зависимость пористости по длине (в форме записи Н.А. Марцулевича и Г.М. Островского [10]). Применение этой зависимости с учётом уравнений уплотнения осадка и взаимодействия фаз позволило авторам [10] выяснить, что, например, для глиноземистых суспензий половина общего перепада давления на неподвижном осадке приходится на узкую зону вблизи фильтрующей перегородки. Если в (14) принять, что межфазная сила сжимает скелет, то из системы уравнений получаем:
В частности, в [11] получена модель консолидации осадка, записанная не только относительно давления, но и коэффициента пористости.
Кинетика роста контактно-конденсационной перемычки в процессе приложения нагрузки при прессовании силикатной системы определяется действием двух противоречивых факторов. С одной стороны, рост давления прессования, по законам гидродинамики приводит к увеличению расхода гетерогенного потока через горло капилляра, что способствует интенсификации процесса контактной конденсации. С другой стороны, происходит кольматация капилляров и возрастает ширина самой перемычки, что увеличивает её сопротивление деформации. Деформация матрицы перемычки в виде уменьшения её пористости под действием нагрузки также увеличивает её сопротивление. Со временем окончание продвижения жидкости через перемычку будет означать завершение процесса контактной конденсации в горле капилляра.
В связи с предложенной схемой формирования контактно-конденсационной перемычки нами разработана следующая классификация фазовых необратимых контактов между структурными элементами [2]:
а) классическая односторонняя, которая возникает при одностороннем движении потока из области истока в сток;
б) двухсторонняя с пробкой (жидкость, газовая фаза); в этой схеме сжимаемая фаза играет деструкционную роль в прочности контакта. Такая схема возникает в том случае, когда два соседних истока разделены капилляром- горлом и среды вяжущего движутся навстречу друг другу;
в) двухсторонняя с центральной областью касания, которая возникает при встречном движении дисперсионных потоков, однако из центральной зоны газ и разупрочённый фильтрат уходят в более мелкие капилляры.
Моделирование гетерогенной среды через капиллярно-пористое тело достаточно проработано в трудах П.Г. Романкова, И.М. Федоткина, Ю.И. Капранова и др. Процесс движения двухфазной гетерогенной среды через капиллярно-пористое тело моделируется в общем виде совокупностью уравнений материального баланса по твёрдой фазе, нелинейного уравнения фильтрации, кинетики отложения твёрдой фазы в капиллярах. Зона капиллярно-пористой перемычки является основным элементом в процессе контактной конденсации, так как на её основе формируются элементарные силовые звенья, совокупность которых (в виде перколяционного кластера) и будет формировать силовой каркас сырца изделия. Предлагаемые подходы к моделированию позволят проследить влияние гидродинамических и силовых полей на ширину этой зоны, степень её пористости для различных частных случаев. Так, учет переменного давления позволяет выявить динамику развития капиллярно-пористой перемычки и оптимальное время для прессования. Рассмотренная выше модель должна быть дополнена краевыми условиями (без учёта кольматации конденсационной перемычки) [2]. Реализация модели позволит оценить динамику наращивания прочности единичного контакта.
В рамках гранта, финансируемого Министерством образования и науки Самарской области в 2006 г., наименование НИР: "Моделирование механизма твердения нестабильного силикатного вяжущего на мезоуровне системы" (раздел - 364Т3.13 П).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Рахматулин Х.А. Основы гидродинамики взаимопроникаемых движений сжимаемых сред. // ПММ. - 1956. - №20. - С.185-191.
- Сидоренко Ю.В. Моделирование процессов контактно-конденсационного твердения низкоосновных гидросиликатов кальция: Дисc. ... канд. техн. наук. - Самара, 2003. - 217 с.
- Хавкин Л.М. Технология силикатного кирпича. - М.: Госстройиздат, 1982. - 384 с.
- Урьев Н.Б. Высококонцентрированные дисперсные системы. - М.: Химия, 1980. - 320 с.
- Урьев Н.Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. - М.: Химия, 1988. -256 с.
- Долгоносов Б.М. Механическое истирание твердых частиц при столкновениях со стенкой в турбулентном потоке. // Коллоидный журнал.- 1991.- Т.53, №5. - С. 843-849.
- Долгоносов Б.М. Параметры равновесного спектра частиц в коагулирующей системе с распадом агрегатов. // Коллоидный журнал.- 2001.- Т. 63, № 1. - С. 39 - 42.
- Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред.- М.: Наука, 1987. - 360 с.
- Николаевский В.Н. и др. Механика насыщенных пористых сред. - М.: Недра, 1970. - 339 с.
- Марцулевич Н.А., Островский Г.М. Моделирование процесса фильтрования с образованием сжимаемого осадка. // ТОХТ.- 1999. - Т.33. - №2. - С.136 - 139.
- Федоткин И.М., Воробьёв Е.И., Вьюн В.И. Гидродинамическая теория фильтрования суспензий. - Киев: Вища школа, 1986. - 166 с.
Работа представлена на заочную электронную конференцию «Новые технологии, инновации, изобретения», 15-20 июля 2006 г.