ОБЩИЕ ОСНОВЫ КИНЕМАТИКИ И ДИНАМИКИ ВЗВЕСЕНЕСУЩЕГО ПОТОКА ЖИДКОСТИ

Взвесями называются частицы твердого материала, находящиеся во взвешенном состоянии в потоке жидкости или газа.

Перемещение во взвешенном состоянии твердых частиц в каналах, лотках, трубах представляет несомненный инженерный интерес при расчете и эксплуатации гидросооружений разного водохозяйственного назначения и гидрооборудования, используемого в различных отраслях промышленного производства, энергетики, строительства и коммунального хозяйства.

Твердые частицы, находящиеся во взвешенном состоянии и перемещающиеся вместе с жидкостью или газом, образуют двухфазный поток.

Поток воздуха, в котором имеются частицы, представляет собой аэросмесь. Частички, находящиеся в потоке жидкости, образуют гидросмесь. Процесс перемещения аэросмеси называется пневмотранспортом, а гидросмеси- гидротранспортом.

Взвешенное состояние твердых частиц поддерживается силами, возникающими в результате их обтекания потоком и колебаниями, вызванными турбулентной пульсацией скоростей и давления.

Характер обтекания частиц обусловливает особенности движения гидросмеси или аэросмеси по сравнению с течением однородных жидкостей. Установлено, что наличие взвесей влияет на свойства жидкости, осуществляющей их перемещение.

В результате движения твердой частицы или при обтекании ее потоком жидкости возникают дополнительные гидравлические сопротивления.

Поэтому основной задачей является определение сил, действующих на частицу, и затрат механической энергии, обусловленных этими силами. Решение этой задачи позволяет подойти к вопросу расчета гидравлических систем, в которых происходит перемещение и осаждение твердых частиц, находящихся в потоке жидкости или газа.

Транспортирование гидросмеси может быть как напорное, так и безнапорное. Напорное движение гидросмеси осуществляется по трубам, а безнапорное — в открытых руслах (лотки, желоба, каналы и безнапорные трубы). Одной из основных целей, как и при движении жидкости, является определение затрат механической энергии на перемещение гидросмеси, размеров труб и русел и оптимального расхода.

Для взвесенесущего потока имеет место, как правило, турбулентный режим движения. На кинематику потока влияет содержание в нем твердых частиц и их концентрация. Кинематика взвесенесущего потока определяется характером и значением пульсационных составляющих скоростей жидкости и распределением твердых частичек по сечению потока.

Движение взвеси происходит при некоторой средней скорости потока V, однако скорости перемещения твердых частиц u_r отличаются от этой скорости. Пульсационные составляющие при турбулентном движении u'_х, u'_у, u'_z, как известно, могут достигать до 14% средней скорости. Следует отметить, что воздействия пульсации на твердые частицы, обладающие определенной массой, не так интенсивны, как для несущей жидкости.

Движение взвешенных частиц в турбулентном потоке связано с интенсивностью пульсаций в жидкости. Твердые частички реагируют на турбулентные пульсации жидкой среды. В результате турбулентного перемешивания жидкости, пульсации скоростей и давления происходит поддерживание во взвешенном состоянии твердых частиц, переносимых потоком.

В зависимости от размера взвешенных частиц и несущих их объемов жидкости наблюдается различный характер движения частиц взвеси.

В случае если масса частицы значительна, то она будет опускаться на дно потока и оставаться там в состоянии покоя или катиться по дну. Этот процесс может происходить как в напорном потоке в трубах, так и в открытых руслах при безнапорном движении взвесей.

Физический процесс перемещения взвесенесущего потока при турбулентном режиме является весьма сложным. Как показали исследования различных отечественных и зарубежных авторов, теоретическое описание физического процесса движения взвесенесущего потока имеет достаточно сложный и весьма приближенный характер.

К гидродинамическим характеристикам взвесей относится гидравлическая крупность твердых частиц u₀.

При напорном или безнапорном движении взвесенесущего потока может происходить осаждение достаточно крупных частиц на дно (стенки) русла. Средняя скорость потока, при которой происходит осаждение частиц на дно, называется критической скоростью V_кр .

Минимальная скорость потока, при которой происходит перемещение твердой частицы со дна, получила название скорости трогания V_тр .

Твердые частички, находящиеся в воде, образуют гидросмесь. Гидросмесью называется смесь мелкого искусственно размельченного или естественного материала с водой. Гидросмесь можно считать как ньютоновскую жидкость, если частицы удерживаются в потоке во взвешенном состоянии.

При рассмотрении движения гидросмеси в трубе можно наблюдать изменения ее концентрации по сечению трубы. В случае большой средней скорости потока твердые частицы могут распределяться равномерно по сечению, и гидросмесь в этом случае можно считать однородной. При уменьшении скорости потока более крупные твердые частицы за счет силы тяжести смещаются ко дну трубы, где будет происходить повышение концентрации твердых частиц.

В результате экспериментальных исследований движения потока гидросмеси в трубах наблюдались следующие виды движения гидросмеси:

• в виде скользящих слоев, твердые частички перемещаются(скользят) по дну трубы по длине потока;

• в виде волн, на дне трубы осаждение частичек происходит в виде волн.

По поверхности волн частички, находящиеся в потоке вблизи поверхности, перемещаются, и сами волны с весьма малой скоростью движутся по направлению движения потока гидросмеси.

Если скорость потока будет дальше уменьшаться, то на дне трубы образуется осадок, слой заиления. Этот слой состоит из неподвижно лежащих на дне трубы твердых частичек. Над этим слоем частички могут перемещаться в виде скользящих слоев или волн, а мелкие частички будут находиться во взвешенном состоянии.

Гидравлические потери напора при движении гидросмеси отличаются от потерь при перемещении воды и будут зависеть от вида движения гидросмеси. Переход от одного вида движения к другому соответствует определенной средней скорости потока.

На рис. 10.1 изображен график изменения удельных гидравлических потерь i_s в трубопроводе в зависимости от средней скорости V и концентрации частиц по сечению C₀ ( i_s= , h_w — гидравлические потери, l — длина трубы).

Рис. 10.1. Изменение удельных потерь от скорости при различных распределениях концентрации гидросмеси по сечению трубы

На графике выделены четыре характерные зоны видов движения взвесенесущего потока.

Первая зона (1) - вид течения при неоднородном потоке с наличием постоянного слоя заиления трубы, V < V₁

Скорость V₁ — скорость, при которой на стенке трубы начинает образовываться слой заиления. Когда V<V₁, возникает постоянный слой заиления.

Вторая зона (2) - находится в пределах V₂> V> V₁.

При V > V₁ твердые частицы начинают перекатываться и двигаться скачкообразно, при этом будет наблюдаться образование скользящего слоя по дну трубы или волн. В результате увеличения скорости до V₂ происходит исчезновение скользящего слоя частиц и волн.

Третья зона (3) - V₃ > V > V₂

Это соответствует виду течения неоднородного потока. Частицы перемещаются во взвешенном состоянии с наибольшей концентрацией у дна трубы.

Четвертая зона (4) — V > V₃

В этом случае наблюдается однородный поток при больших скоростях V, когда за счет пульсаций скоростей и давлений происходит достаточно равномерное распределение концентрации по сечению трубы.

Из рис. 10.1 видно, что минимуму удельных гидравлических потерь i_s соответствует критическая скорость V_кp , которая находится между скоростями V₁ и V₂ во 2-й зоне движения взвесенесущего потока.

Скорость V_кр является основным гидродинамическим параметром при определении гидравлических потерь в трубопроводе и расчетного расхода в нем.

В зависимости от содержащихся частиц твердого материала гидросмеси могут быть песчаными, песчано-гравийными, шлаковыми, зольными, илистыми, угольными, торфяными и т.д.

Гидросмеси обычно классифицируются по содержанию частичек определенного размера. При размере частичек до 0,15 мм гидросмесь является тонкодисперсной или суспензией.

Грубодисперсная гидросмесь при диапазоне размеров частиц от 0,15 до

2 мм при крупности более 2 мм является полидисперсной гидросмесью.

Поток, в котором твердые частицы равномерно распределяются по объему, называется гомогенным. Размеры частичек в этом потоке малы, и имеет место достаточно высокая объемная концентрация гидросмеси. Такой поток соответствует неньютоновским жидкостям и представляет собой суспензию. К ним относятся потоки, осуществляющие перемещение осадков сточных вод.