Математическое описание неизотермических фильтрационных течений бинарной газовой смеси

Abstract

Построение математических моделей течений неоднородных (многокомпонентных, многофазных) сред требует создания адекватного описания процессов переноса. При традиционных постановках задач процессов природного и техногенного характера, к которым относятся задачи атмосферных явлений, моделирования технологических установок и биологических систем, возникает необходимость учета многих особенностей, обусловленных присутствием примесной фазы, особенно с достаточно высокой концентрацией примесного компонента. Объем выбросов автотранспортных средств, негативно сказывающихся на состоянии атмосферы, напрямую зависит от качества производимых систем фильтрации и эффективности их работы, что объясняет крайнюю необходимость изучения процессов нейтрализации опасных газовых смесей. Исследование таких систем затрагивает фундаментальные аспекты реологии и описания систем при наличии крупномасштабных (обусловленных наличием несущей среды) межчастичных корреляций. Актуальность работы обусловлена необходимостью решения одной из глобальных экологических проблем, в частности загрязнения воздуха вредными выбросами автотранспорта. Особое место в решении этой проблемы отводится системам нейтрализации, позволяющим снизить токсичность выхлопных газов автомобиля, и тем самым повысить его экологичность. Объект исследований - процессы фильтрации бинарной газовой смеси выхлопных газов в бензиновых двигателях внутреннего сгорания в неизотермических условиях через фильтроэлемент, полученный с использованием самораспространяющегося высоко-температурного синтеза на основе карбида титана. Метод исследования: микроскопический (молекулярно-кинетический) подход к реализации математической модели фильтрации двухкомпонентной смеси через пористую матрицу. Результаты. Предложена математическая модель фильтрации двухкомпонентной газовой смеси в неизотермических условиях, получена длина фильтроэлемента, газодинамические коэффициенты (коэффициенты кнудсеновской и взаимной диффузии, вязкость) для численной реализации модели.

Construction of mathematical models of flows of heterogeneous (multicomponent, multiphase) media requires an adequate description of transport processes. In traditional formulations of problems of natural and technogenic character processes, including the problem of atmospheric phenomena, modeling of process plants and biological systems, there is a need to take into account different features caused by the presence of impurity phase, especially with a sufficiently high concentration of impurity component. The volume of emissions from vehicles, affecting the state of the atmosphere, depends on the quality of the manufactured filtration systems and the effectiveness of their work, which explains the extreme necessity of studying neutralization of dangerous gas mixtures. The study of such systems affects the fundamental aspects of rheology and description of systems in the presence of large-scale (caused by the presence of the carrier medium) interparticle correlations. The relevance of the work is caused by the need to solve one of the global environmental problems, in particular pollution of air by harmful emissions of vehicles. A special place in solving this problem goes to neutralization systems which allow reducing toxicity of vehicle exhaust gasesa, and thereby increasing its sustainability. The object of study is the filtration of a binary gas mixture of exhaust gases in gasoline internal combustion engines in non-isothermal conditions through the filter element produced using self-propagating high-temperature synthesis on the basis of titanium carbide. Research method: the microscopic (molecular-kinetic) approach to implementation of mathematical model of filtration of a two-component mixture through a porous matrix. Results. The authors have proposed the mathematical model of filtration of a two-component gas mixture in non-isothermal conditions and obtained the length of the filter element, the gas-dynamic factors (Knudsen coefficients and mutual diffusion, viscosity) for model numerical implementation.