Численное моделирование влияния температуры на устойчивость механического равновесия в бинарных газовых смесях

Аннотация

Работа посвящена исследованию влияния температуры на устойчивость механического равновесия и характер массопереноса в бинарных газовых смесях в гравитационном поле на примере системы Ar–N₂. Рассматривается изотермическое смешение газов в двухколбовом аппарате, при котором потеря механического равновесия обусловлена формированием неустойчивой концентрационной стратификации плотности в процессе взаимной диффузии компонентов с различными молекулярными массами.

Основной целью исследования является установление роли температуры в формировании и эволюции диффузионно-конвективных режимов массопереноса при различных давлениях. Для этого выполнено численное моделирование в программном комплексе ANSYS Fluent в трёхмерной постановке с использованием уравнений переноса компонентов и турбулентной модели SST k–ω. Температура рассматривается как внешний параметр, влияющий на устойчивость системы через изменение коэффициентов взаимной диффузии и транспортных свойств смеси.

Установлено, что температура является определяющим фактором устойчивости механического равновесия в бинарной газовой смеси. Рост температуры приводит к ослаблению концентрационной гравитационной конвекции вследствие увеличения диффузионной подвижности компонентов, что проявляется как в стабилизации системы вблизи границы устойчивости, так и в снижении относительной эффективности конвективного переноса в области развитой конвекции. Численное моделирование позволило восстановить временную динамику процесса смешения и выявить эволюцию конвективных структур, недоступную при экспериментальных измерениях. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными и расширяют представления о температурном контроле диффузионно-конвективных процессов в бинарных газовых системах.