Влияние шероховатости поверхности на проницаемость
advertisement
УДК 533.9(06) Физика плазмы А.А. ПИСАРЕВ, И.В. ЦВЕТКОВ, С.С. ЯРКО Московский инженерно-физический институт (государственный университет) ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ НА ПРОНИЦАЕМОСТЬ ВОДОРОДА ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ На основе разработанной двумерной модели накопления и транспорта изотопов водорода в конструкционных материалах проведено расчетное исследование влияние шероховатости поверхностей на проницаемость водорода через мембраны. Шероховатость моделировалась треугольными выступами. Показано, что в различных режимах проникновения роль шероховатости различна. Шероховатость поверхности является фактором, который может влиять на проникновение водорода через твердотельные мембраны. Однако во всех традиционных одномерных моделях проницаемости шероховатость рассматривается исключительно как геометрический фактор и учитывается в расчетах как множитель, увеличивающий коэффициенты адсорбции и рекомбинации пропорционально площади. В данной работе мы исследуем влияние шероховатости путем решения двумерной задачи диффузии. Для этого рассмотрим пластину с бороздами треугольного профиля. На рис. 1 показано расчетное распределение водорода (линии равной концентрации) в поперечном сечении, перпендикулярном направлению борозд (фрагмент поверхности). Видно, что линии равной концентрации выдавлены вглубь выступов. Результаты решений системы стационарных задач проницаемости (адсорбционный и десорбционный потоки на входе, десорбционный поток на выходе) для плоской мембраны и мембраны с шероховатыми поверхностями в зависимости от параметров шероховатости для различных режимов диффузии представлены на рис. 2. Условия на входной и выходной поверхности принимались одинаковыми. Случаи, когда транспортные параметры Рис. 1. Распределение концентрации w1=w2>>1 (где w1,2=K1,2Sp½L/D) водорода на выходной поверхности соответствуют режимам шероховатой мембраны толщиной L=1 мм в DLR режиме 138 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 4 ISBN УДК 533.9(06) Физика плазмы проницаемости, ограниченной диффузией (DLR режимы), а случаи w1=w2<<1 – режимам проницаемости ограниченной поверхностью (SLR режимы) [1]. Видно, что проницаемость через мембрану в SLR режимах увеличивается пропорционально площади шероховатой поверхности. Это связано с тем, что водород оказывается равномерно распределенным по пластине, что было типично и для одномерной задачи с плоскими границами. Поэтому скорость десорбции с выходной поверхности просто пропорциональна площади выходной поверхности. В DLR режимах поток проницаемости практически не меняется при увеличении шероховатости. Это связано с тем, что концентрация на входной поверхности в DLR постоянна, а на выходной – близка к нулю. Поэтому диффузионный поток в средних сечениях пластины, а, следовательно, и поток проницаемости неизменны. В промежуточных режимах проникающий поток растет, но медленнее, чем в SLR. Интересные эффекты возникают в несимметричных мембранах. Если, например, выходная сторона мембраны более шероховатая, чем входная, то в SLR режиме накопление в такой мембране будет меньше, чем накопление в мембране с гладкими поверхностями. Помимо решения стационарных задач проницаемости, 2D модель позволяет описать эксперименты по определению коэффициента диффузии методом проницаемости (неста- Рис. 2. Отношение проницаемости мембраны площадью Srough и ционарная задача с неоткачиваемой шероховатой плоской мембраны площадью Sflat в камерой на выходе) с учетом зависимости от коэффициента шероховатости поверхности. В режи- шероховатости Srrough/Sflat мах с малыми транспортными коэффициентами (w1=w2<1) давление в выходной камере зависит от параметров шероховатости. Список литературы 1. Pisarev A., Bacherov A. // Physica Scripta. 2004. Vol. T108. P. 124. ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 4 139
