Transport masy w ośrodkach porowatych

Podobne dokumenty
Dyfuzyjny transport masy

dr Mariusz Grządziel 15,29 kwietnia 2014 Przestrzeń R k R k = R R... R k razy Elementy R k wektory;

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

A,B M! v V ; A + v = B, (1.3) AB = v. (1.4)

- prędkość masy wynikająca z innych procesów, np. adwekcji, naprężeń itd.

WYKŁAD 6 KINEMATYKA PRZEPŁYWÓW CZĘŚĆ 2 1/11

Numer Nota albumu Robert G

3. Równania konstytutywne

FUNKCJA LINIOWA - WYKRES. y = ax + b. a i b to współczynniki funkcji, które mają wartości liczbowe

Mechanika ogólna. Kinematyka. Równania ruchu punktu materialnego. Podstawowe pojęcia. Równanie ruchu po torze (równanie drogi)

FUNKCJA LINIOWA - WYKRES

M10. Własności funkcji liniowej

Wstęp. Ruch po okręgu w kartezjańskim układzie współrzędnych

Równania dla potencjałów zależnych od czasu

J. Szantyr Wyklad nr 6 Przepływy laminarne i turbulentne

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

Termodynamika. Część 12. Procesy transportu. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

R n jako przestrzeń afiniczna

. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest porównanie na drodze obserwacji wizualnej przepływu laminarnego i turbulentnego, oraz wyznaczenie krytycznej licz

PODSTAWY RACHUNKU WEKTOROWEGO

TERMODYNAMIKA PROCESOWA

Załóżmy, że obserwujemy nie jedną lecz dwie cechy, które oznaczymy symbolami X i Y. Wyniki obserwacji obu cech w i-tym obiekcie oznaczymy parą liczb

Defi f nicja n aprę r żeń

W naukach technicznych większość rozpatrywanych wielkości możemy zapisać w jednej z trzech postaci: skalara, wektora oraz tensora.

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

FUNKCJA LINIOWA, RÓWNANIA I UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

Lista. Algebra z Geometrią Analityczną. Zadanie 1 Przypomnij definicję grupy, które z podanych struktur są grupami:

METODY MATEMATYCZNE I STATYSTYCZNE W INŻYNIERII CHEMICZNEJ

3. KINEMATYKA Kinematyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się opisem ruchu ciał bez wnikania w jego przyczyny. Oznacza to, że nie interesuje nas

Kinematyka płynów - zadania

Wektory, układ współrzędnych

Analiza wektorowa. Teoria pola.

przepływ Hagena-Poseuille a 22 października 2013 Hydrodynamika równanie Naviera-Stokesa przepły

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

3. FUNKCJA LINIOWA. gdzie ; ół,.

Dielektryki. właściwości makroskopowe. Ryszard J. Barczyński, 2016 Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

J. Szantyr Wykład nr 19 Warstwy przyścienne i ślady 1

Rozdział 2. Krzywe stożkowe. 2.1 Elipsa. Krzywe stożkowe są zadane ogólnym równaniem kwadratowym na płaszczyźnie

J. Szantyr Wykład 4 Podstawy teorii przepływów turbulentnych Zjawisko występowania dwóch różnych rodzajów przepływów, czyli laminarnego i

Podstawy elektromagnetyzmu. Wykład 2. Równania Maxwella

13 Układy równań liniowych

Geometria w R 3. Iloczyn skalarny wektorów

Wektor, prosta, płaszczyzna; liniowa niezależność, rząd macierzy

Q t lub precyzyjniej w postaci różniczkowej. dq dt Jednostką natężenia prądu jest amper oznaczany przez A.

Definicja i własności wartości bezwzględnej.

Strumień Prawo Gaussa Rozkład ładunku Płaszczyzna Płaszczyzny Prawo Gaussa i jego zastosowanie

Rozdział 3. Tensory. 3.1 Krzywoliniowe układy współrzędnych

Egzaminy, styczeń/luty 2004

Laminarna warstwa graniczna. 3 listopada Hydrodynamika Prawo Darcy ego równanie Eulera

WYKŁAD 3 OGÓLNE UJĘCIE ZASAD ZACHOWANIA W MECHANICE PŁYNÓW. ZASADA ZACHOWANIA MASY. 1/15

PROFIL PRĘDKOŚCI W RURZE PROSTOLINIOWEJ

macierze jednostkowe (identyczności) macierze diagonalne, które na przekątnej mają same

26 listopada Dyfuzja połączona z konwekcją; dyspersja; transport

Elektrostatyka, cz. 1

Przedmowa Przewodność cieplna Pole temperaturowe Gradient temperatury Prawo Fourier a...15

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

5. Analiza dyskryminacyjna: FLD, LDA, QDA

Pole magnetyczne magnesu w kształcie kuli

MECHANIKA PRĘTÓW CIENKOŚCIENNYCH

Algebra liniowa z geometrią

Zadania treningowe na kolokwium

Wykład 6 Centralne Twierdzenie Graniczne. Rozkłady wielowymiarowe

Rozważmy nieustalony, adiabatyczny, jednowymiarowy ruch gazu nielepkiego i nieprzewodzącego ciepła. Mamy następujące równania rządzące tym ruchem:

Aerodynamika i mechanika lotu

MECHANIKA PŁYNÓW Płyn

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Dielektryki polaryzację dielektryka Dipole trwałe Dipole indukowane Polaryzacja kryształów jonowych

Zasady dynamiki Newtona. Pęd i popęd. Siły bezwładności

Ważne rozkłady i twierdzenia c.d.

DB Algebra liniowa semestr zimowy 2018

Zapisujemy:. Dla jednoczesnego podania funkcji (sposobu przyporządkowania) oraz zbiorów i piszemy:.

cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

Przykład 1 Dany jest płaski układ czterech sił leżących w płaszczyźnie Oxy. Obliczyć wektor główny i moment główny tego układu sił.

KINEMATYKA I DYNAMIKA CIAŁA STAŁEGO. dr inż. Janusz Zachwieja wykład opracowany na podstawie literatury

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

Bąk wirujący wokół pionowej osi jest w równowadze. Momenty działających sił są równe zero (zarówno względem środka masy S jak i punktu podparcia O).

1 Płaska fala elektromagnetyczna

Funkcje liniowe i wieloliniowe w praktyce szkolnej. Opracowanie : mgr inż. Renata Rzepińska

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Ruch falowy. Parametry: Długość Częstotliwość Prędkość. Częstotliwość i częstość kołowa MICHAŁ MARZANTOWICZ

Prosta i płaszczyzna w przestrzeni

Co to jest wektor? Jest to obiekt posiadający: moduł (długość), kierunek wraz ze zwrotem.

WYKŁAD 8B PRZEPŁYWY CIECZY LEPKIEJ W RUROCIĄGACH

Met Me ody numer yczne Wykład ykład Dr inż. Mic hał ha Łanc Łan zon Instyt Ins ut Elektr Elektr echn iki echn i Elektrot Elektr echn olo echn

1. BILANSOWANIE WIELKOŚCI FIZYCZNYCH

Wykład 2. Przykład zastosowania teorii prawdopodobieństwa: procesy stochastyczne (Markova)

Pole elektromagnetyczne

Równa Równ n a i n e i ru r ch u u ch u po tor t ze (równanie drogi) Prędkoś ędkoś w ru r ch u u ch pros pr t os ol t i ol n i io i wym

Ważne rozkłady i twierdzenia

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

Układy równań i nierówności liniowych

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

3. Macierze i Układy Równań Liniowych

STAN NAPRĘŻENIA. dr hab. inż. Tadeusz Chyży

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w Kielcach WYDZIAŁ MECHATRONIKI I BUDOWY MASZYN KATEDRA URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH LABORATORIUM FIZYKI INSTRUKCJA

Elektrostatyka ŁADUNEK. Ładunek elektryczny. Dr PPotera wyklady fizyka dosw st podypl. n p. Cząstka α

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Transkrypt:

grudzień 2013

Dyspersja... dyspersja jest pojęciem niesłychanie uniwersalnym. Możemy zrekapitulować: dyspersja to w ogólnym znaczeniu rozproszenie, rozrzut, rozcieńczenie. Możemy nazywać dyspersją roztwór emulsyjny (cząsteczki rozproszone w nośniku, będącym jakimś płynem). Niemniej jednak dyspersja w ośrodkach porowatych to termin nieco specjalny: często dla wyróżnienia go dodajemy dyspersja (hydro)mechaniczna patrz niżej. Dla prostoty będziemy mówić o jednowymiarowych problemach, w ośrodkach nasyconych, czyli takich, w których podróżujący płyn wypełnia całkowicie wolną przestrzeń pomiędzy ziarnami (włóknami) ośrodka. Ponieważ odległości pomiędzy takimi ziarnami są (zwykle) bardzo małe ograniczamy się w pierwszym rzędzie do przepływów laminarnych

Na rysunku widzimy dyspersję znacznika w czasie (przy injekcji punktowej) w: (a) laminarnym przepływie w rurce; (b) przepływie turbulentnym w rurze; (c) jednowymiarowym przepływie przez ośrodek porowaty. Trzy profile koncentracji (krzywe Gaussa) są podobne, a więc pomiędzy transportem w ośrodku porowatym i transportem w jednorodnych mediach muszą zachodzić spore podobieństwa.

Wiemy na przykład, że w przepływie turbulentnym za dyspersję znacznika są w znacznym stopniu odpowiedzialne, zachodzące w mikroskali, fluktuacje prędkości (bardziej niż jego naturalna dyfuzja molekularna). W ośrodkach porowatych, jak już powiedzieliśmy mamy zwykle do czynienia z przepływem laminarnym. Towarzysząca mu dyfuzja molekularna jest istotnym mechanizmem dyspersyjnym, ale często sama ona nie tłumaczy ilościowo obserwowanej dyspersji. Ta ostatnia wynika z mechanizmu dyspersji mechanicznej śledząc mikro-obrazy przepływu przez ośrodek porowaty widzimy, że taki jedno-wymiarowy przepływ to suma wielu przepływów po krzywoliniowych torach linie prądu rozdzielają się pomiędzy poszczególnymi ziarnami. Mamy do czynienia z ciągłym rozdzielaniem się i powtórnym mieszaniem się małych objętości płynu, zachodzącymi losowo. Tu z kolei pojawia się analogia z turbulencją, w której mieliśmy też do czynienia z rozmaitością wirowych ruchów, zachodzących w różnych skalach (od mniejszych do większych).

Porowatość, prędkość, ośrodek porowaty stosunek objętości porów V v do całkowitej objętości V T próbki (1) ε = V v V T ; tzw. frakcja stała s to stosunek objętości części próbki zajętej przez ośrodek V s do całkowitej objętości V T próbki ośrodka (2) s = V s V T = V T V v V T = V T εv T V T = 1 ε. Pojęcie porowatości wymaga uściślenia. czy porowatość objętościowa jest równa porowatości płaskiej (w płaszczyźnie prostopadłej do przepływu)? W sytuacjach praktycznych odpowiedź brzmi: tak. Po drugie: niektóre ścieżki w ośrodku porowatym są ślepymi uliczkami i przepływ w nich nie zachodzi (np. kawerny, pory na powierzchni ziaren). wprowadza się pojęcie porowatości efektywnej, reprezentującej tę część pustych przestrzeni, przez które przepływ może zachodzić.

Pojęcie ośrodka porowatego funkcjonuje w kontekście pojęcia ośrodka ciągłego. Mówiąc o parametrach ośrodka: gęstości i porowatości mamy na myśli parametry uśrednione po odpowiednio dużej objętości, tzw. reprezentatywnej objętości elementarnej (ang. representative elementary volume REV). Definicja prędkości w ośrodku porowatym powinna więc zawierać aspekty uśredniające. Np. (3) u = Q A, gdzie Q to przepływ (wydatek) w REV, a A to powierzchnia prostopadła do lokalnego kierunku przepływu. Taką prędkość nazywa się wydatkiem właściwym (ang. specific discharge) będzie to wydatek na jednostkę powierzchni. Sam płyn, poruszający się (krętymi ścieżkami) pomiędzy ziarnami podróżuje z większą prędkością, tzw. średnią prędkością liniową (prawo Darcy ego!) (4) v = u ε,

przy czym v będzie zwykle wektorem o trzech współrzędnych: (5) v = v 1 i + v 2 j + v 3 k.

Współczynniki dyspersji: mechanicznej, molekularnej i hydrodynamicznej Z powodu analogii pomiędzy transportem w ośrodku porowatym i przepływami turbulentnymi definiujemy (uśrednianie Reynoldowskie) gęstość P A i prędkość V {V i }; i = 1, 2, 3 pewnego składnika A jako sumę odpowiednich wartości średnich (po objętości REV) i ich fluktuacji (wielkości primowane) (6) P A = ρ A + ρ A; V i = v i + v i. Średni strumień masy A to średnia z iloczynu całkowitej koncentracji (gęstości) i prędkości n A,i = P A V i = (ρ A + ρ A )(v i + v i ) = (ρ Av i ) + (ρ A v i ) + (ρ A v i) + (ρ A v i ) (7)= ρ A v i + ρ A (v i ) + v i(ρ A ) + (ρ A v i ).

Średnie z fluktuacji to zgodnie z ich pojęciem zero, tak więc (8) n A,i = ρ A v i + (ρ Av i). Powstaje problem (analogiczny jak w rozdz. 5. i 7.): jak uwzględniać (wyrazić) drugi wyraz po prawej stronie (8)? Eksploatujemy znowu ten sam pomysł: zakładamy, że jest on proporcjonalny do gradientu średniej koncentracji w REV: (9) (ρ Av i) = D ij x j co daje (10) n A,i = ρ A v i D ij x j, albo w jednostkach koncentracji molowej (c A średnia koncentracja molowa) (11) N A,i = c A v i D ij c A x j.

Występujący w tych równaniach tensor dyspersji mechanicznej D ij to tensor drugiego rzędu D 11 D 12 D 13 (12) D ij D 21 D 22 D 23. D 31 D 32 D 33

Ale transport A może też odbywać się za sprawą dyfuzji molekularnej; definiujemy dyspersję hydrodynamiczną jako sumę efektów dyspersji mechanicznej i dyfuzji. Dla jednorodnego i izotropowego ośrodka porowatego (13) D (h) ij = D ij + D ef, gdzie D ef jest efektywnym współczynnikiem dyfuzji, zdefiniowanym (por. rozdz.6) jako (14) D ef = D AB τ. Równ.(10) możemy więc zapisać (15) n A,i = ρ A v i D (h) ij x j.

Tensor dyspersji hydrodynamicznej c.d. (16) n A,i = ρ A v i D (h) ij x j. Z definicji i z faktu, że ośrodek jest izotropowy wynika, że tensor D (h) ij jest tensorem symetrycznym; możemy go więc reprezentować w (h) układzie osi własnych będzie to tensor D ij : (17) D(h) ij = = D (h) 11 0 0 0 D(h) 22 0 0 0 D(h) 33 D 11 + D ef 0 0 0 D22 + D ef 0 0 0 D33 + D ef.

Można wykazać, że w jednorodnym i izotropowym ośrodku układem własnym jest taki układ kartezjański, którego jedna z osi (np. 0x) pokrywa się z kierunkiem lokalnej prędkości średniej v. Wówczas składowe diagonalne tensora dyspersji mechanicznej to (18) Dij = a L v 0 0 0 a T v 0 0 0 a T v, gdzie a L i a T to podłużny (równoległy do v) i poprzeczny (prostopadły do v) współczynnik dyspersji mechanicznej; zwykle a L jest kilkakrotnie (3 10) większy od a T.

Składowe tensora dyspersji hydrodynamicznej (w układzie osi własnych) to (19) D(h) ij = = D 11 + D ef 0 0 0 D22 + D ef 0 0 0 D33 + D ef a L v + D ef 0 0 0 a T v + D ef 0 0 0 a T v + D ef.

Równanie dyspersji w jednorodnym, izotropowym ośrodku porowatym Przepiszmy raz jeszcze równanie bilansu masy t (ρ aε x y z + S A ρ b x y z) = (n A,x n A,x+ x )ε y z + (n A,y n A,y+ y )ε z x + (n A,z n A,z+ z )ε gdzie n A to wektor strumienia masy. Podobnie równanie wynikowe [ ] (20) t + 1 n A 1 1 + k d ρ b /ε t R n A = 0. Za n A podstawiamy teraz z (15) co prowadzi do dość skomplikowanego równania:

t + 1 R 1 R x 1 1 R x 2 1 R x 3 [ ρ A ( v1 + v 2 + v 3 x 1 x 2 x 3 (h) + D 12 x 1 ( D (h) 11 ( D (h) 21 ( D (h) 31 x 1 + x 1 + D (h) 22 D (h) 32 ) ( + v 1 x 2 + + x 2 + x 2 D (h) 13 D (h) 23 D (h) 33 )] + v 2 + v 3 x 1 x 2 x 3 ) x 3 ) x 3 ) = 0. x 3

Na szczęście można to równanie znacznie uprościć. Po pierwsze: drugi wyraz (pierwszy wiersz) jest równy zeru dla płynów nieściśliwych. Po drugie: przechodzimy do układu osi własnych, którego oś x-ów jest równoległa do v. Oczywiście v 2 = v 3 = 0; znikają też niediagonalne składowe tensora: (21) t + 1 R v 1 x 1 = 1 R + 1 R x 1 x 3 ( D (h) 11 ( D (h) 33 ) + 1 x 1 R ). x 3 x 2 ( D (h) 22 Wreszcie, dla przypadku jednowymiarowego i dla v v 1 = constans (h) (h) składowe D 22 = D 33 = 0; D(h) 11 = constans: ) x 2 (22) t + 1 R v 1 = 1 (h) D 11 x 1 R 2 ρ A x 1 2.

Jednowymiarowe równanie dyspersji w jednorodnym ośrodku nieskończonym Zaczynamy od równ.(22) przy założeniu, że nie ma dyspersji: (23) t + v 1 R x 1 = 0. W chwili t = 0, w punkcie x 1 = 0 następuje injekcja (punktowa w czasie i przestrzeni) masy M; wydatek właściwy to Q. Warunek brzegowy ma więc postać: (24) ρ A (x, t = 0) = M Q δ(t). (w przypadku jednowymiarowym jednostki ρ to [M/L]!) Proste zastosowanie transformaty Laplace a daje: (25) ρ A (t) = M Q δ(t t); t = x 1R v 1. Dirakowski impuls injekcji, przesuwa się wzdłuż osi x 1 z prędkością v 1 /R por. rysunek 1(a).

Rysunek: Dyspersja znacznika: (a) brak dyspersji; (b) R = 1 dla różnych wartości t; (c) ten sam czas, różne wartości R. Opóźnienie (w różnym stopniu) wynika z partycji do fazy stałej ośrodka.

Rozwiązanie (22) z uwzględnieniem dyspersji otrzymujemy stosując transformację (układ współrzędnych poruszający się z prędkością v 1 /R) (26) x = x 1 v 1 R t. Równ. (22) przechodzi w (27) t = 1 R D (h) 11 2 ρ A x 2. Jest to równanie, które występowało w poprzednich rozdziałach (6. i 7.). Jego rozwiązanie to krzywa gaussowska (28) ρ A (x 1, t) = 1 M/ε (x 1 v 1 exp R t)2 R (h) (h), 4π( D 11 /R)t 4( D 11 /R)t pokazana na rysunku 1(b) i (c).

Z rozwiązania wynika, że maksimum koncentracji wskaźnika wartościom (x c, t c ), dla których albo x c v 1 R t c = 0, (29) v 1 R = x c t c v c. Wielkość v c to prędkość z jaką podróżuje maksimum koncentracji, związana ze średnią prędkością v 1 prostym (30) v 1 v c = R. (por. rys.1(c).) Opóźnienie znacznika, wynikające z różnych od jedności wartości R to m.in. podstawa metod chromatografii.