Гидромеханические процессы

Турбулентный – это вихревой режим течения; характеризуется пересекающимися и вихревыми траекториями движения частиц, наличием всевозможных пульсаций; на обеспечение такого течения требуются большие, чем при ламинарном режиме, затраты энергии. Турбулентный режим можно обеспечить только за счет повышения скорости потока. Однако практический опыт показывает, что для высоковязких жидкостей переход от ламинарности к турбулентности наступает при больших скоростях; значение имеют также плотность жидкости, размеры сечения канала, в котором происходит течение.

Переход от ламинарности к явной турбулентности происходит (например, при увеличении скорости потока) не скачкообразно, а плавно. Вначале наблюдается только отдельно возникающие и тут же исчезающие возмущения в параллельно-струйчатой структуре потока. Затем они постепенно приобретают системный характер. Такое постепенно изменяющееся течение характеризуют как переходный режим.

Для численной  оценки границ режимов течения жидкостей  и газов О. Рейнольдс предложил (1883 г.) использовать критерий гидродинамического подобия, названный его именем:

.     (26)

Этот критерий дает комплексную  оценку режимам движения жидкостей и газов. Установлено, что при движении любых жидкостей по прямым гладким трубам:

_{при Re < 2320 – имеет место ламинарный режим;}

при 2320 _< Re _< 10000 – переходный режим;

при Re > 10000 –турбулентный режим.

Если течение жидкости происходит в канале некруглого сечения, то (в формуле 26) вместо d должно фигурировать d_э.

Приведенные граничные значения критерия Re следует рассматривать как несколько условные, так как любые отклонения от обозначенных условий (наличие шероховатостей и т.п.) понижают границу существования ламинарного потока.

В приведенной формуле  критерия Рейнольдса символ скорости w подразумевает ее среднее значение по сечению потока. В действительности же в разных точках сечения потока она имеет свои значения. Для ламинарного потока вид распределения скоростей может быть установлен теоретически.

4.6 Основные уравнения  гидродинамики

4.6.1 Уравнение неразрывности  (сплошности) потока в

дифференциальной  и интегральной форме

Все уравнения классической гидродинамики – уравнения течения  жидкостей получены для неразрывных, сплошных потоков. Поэтому уравнение неразрывности предваряет решение любой гидродинамической задачи.

Уравнение неразрывности возможно получить на основе закона сохранения массы вещества.

Выделим в движущемся потоке жидкости элементарный объем dv = dx.dy.dz (рис. 6.30) и проследим за изменением количества вещества в нем вследствие изменения плотности и вектора скорости жидкости в пространстве и времени: ρ = φ(x,y,z,τ), w = f(x,y,z,τ).

4.6.2 Дифференциальные  уравнения движения идеальной

жидкости – уравнение  Эйлера

Уравнение движения жидкости – это основное уравнение гидродинамики. Его представляют как для реальной, так и для идеальной жидкости. Уравнение движения идеальной, несуществующей в природе, жидкости имеет практическое значение лишь с точки зрения получения на его относительно простой основе других уравнений гидродинамики, имеющих практическое значение.

_{Уравнение движения идеальной  жидкости выводится  на основе баланса  трех сил, действующих  на элементарный объем dv = dx·dy·dz жидкости: си}лы тяжести, силы гидростатического давления и инерционной силы (силы движения), которая является результатом нескомпенсированности первых двух сил.

4.7 Технологические  задачи гидродинамики

К технологическим задачам  гидродинамики будем относить такие  специфические задачи строительных технологий, которые в наибольшей степени определяют ход технологических  процессов и их результат. Эти  задачи связаны, в основном, с приготовлением и хранением всевозможных шихт, шламов, формовочных масс, с их транспортированием, накоплением, формованием изделий и др. По своей определяющей сущности эти задачи мы рассматриваем с позиций гидродинамики, хотя в большинстве случаев имеет место течение многофазных систем, по свойствам отличающихся от простых вязких жидкостей. Это предполагает некоторые усложнения относительно классических задач гидродинамики, некоторые допущения.

4.7.1 Осаждение твердых  частиц в жидкой или газовой  среде

Задачи об осаждении частиц приходится решать при выполнении конструктивных расчетов пылевых камер, шламбассейнов и т.п.

Пылевые камеры предназначаются  для первичной очистки дымовых  газов, выходящих, например, из цементообжиговой печи. Расчеты сводятся к определению скорости осаждения частиц различной крупности и назначения таких размеров пылеосадительной камеры, которые обеспечили бы заданный процент очистки дымовых газов.

При расчете шламбассейнов по скорости осаждения составляющих его частиц оценивают допустимую продолжительность времени хранения шлама, то есть времени, за которое расслоение шлама в результате неоднозначности скоростей осаждения частиц различных размеров и плотностей не превысит допустимых пределов.

4.7.1.1 Общие закономерности  процессов движения

тел в жидкостях

Задача об осаждении твердых  частиц в жидкостях и газах  представляет собой частный случай более общей задачи движения тел в жидкостях, имеющей применение в различных сферах человеческой деятельности, включая авиацию, судоходство и пр. Объединяют все это одни и те же законы движения тел в жидкостях, которые представляют внешнюю задачу гидродинамики, рассматривающую обтекание тел жидкостями или газами. Ключевым моментом в этой задаче является определение затрат энергии, обеспечивающей преодоление встречного сопротивления и равномерное движение тела. Возникающее сопротивление зависит главным образом от свойств жидкости, режима движения и формы обтекаемого тела.

4.8 Смешанные задачи  гидродинамики

4.8.1 Основные три  типа смешанных задач

С точки зрения классической гидродинамики в этом разделе  предполагается рассмотреть так называемые смешанные задачи. В отличие от чисто внутренних, когда движение рассматривалось в замкнутом объеме (по трубам и каналам) и от чисто внешних, когда рассматривалось обтекание частиц жидкостью или газом в смешанных задачах имеет место одновременное движение жидкости или газа по межзерновым каналам и обтекание частиц. При этом в зависимости от относительной скорости жидкости или газа и создаваемого напора на зернистые частицы можно выделить три характерных случая взаимодействия потока с зернистым материалом. Рассмотрим каждый из них пока лишь в самых общих чертах.

Пусть слой зернистого материала  расположен на газопроницаемой решетке  в вертикальном канале (рисунок 19); снизу  вверх через слой проходит поток жидкости или газа со скоростью w; будем увеличивать (пока лишь _{мысленно) скорость потока, и проследим за состоянием зернистого слоя.}

Рисунок 19 – Три характерные случая взаимодействия потока

жидкости или газа со слоем зернистого материала

При некоторой относительно невысокой скорости (рисунок 19, случай а) напор потока на частицы невелик; частицы образуют неподвижный слой, сплошной поток жидкости или газа дробится на множество составляющих, движущихся по межзерновым каналам. Для этого случая применим обобщенный термин – фильтрация жидкости или газа через слой зернистого материала.

Если скорость потока увеличить  до некоторого критического значения (w>w_ПС, где w_ПС – скорость псевдоожижения), то вследствие увеличившегося напора на частицы, они теряют неподвижность, начинают беспорядочно двигаться, но из слоя не уходят, увеличивая его по высоте (рисунок 19, случай б). Наступает состояние псевдоожижения; внешний слой как бы кипит, поэтому его называют кипящим слоем.

При дальнейшем увеличении скорости потока до следующего критического значения (w>w_св, где w_св – скорость свободного витания частиц) гидродинамический напор на частицы возрастает настолько, что они начинают двигаться вместе с потоком (рисунок 19, случай в). Явление массового уноса твердых частиц называют пневмотранспортом (гидротранспортом). Все три рассмотренных случая достаточно широко представлены в промышленных технологиях, поэтому далее рассмотрим каждый из них более подробно.

4.8.2 Движение жидкостей  и газов через неподвижные зернистые

слои

В строительных технологиях  подобные задачи приходится рассматривать при расчетах процессов фильтрации воды через слой материалов, составляющих бетонную смесь при ее вакуумировании; процессов очистки воздуха или дымовых газов в матерчатых фильтрах и т.п. Весьма представительной и важной является задача проектирования процессов обжига различных материалов в шахтных печах, с которой связаны расчеты гидравлических сопротивлений в слое материала, других характеристик гидродинамического потока газов.

Перечень параметров, влияющих на взаимодействие потока жидкости или газа (чаще всего – газа) с неподвижным слоем, весьма велик. Это может быть дисперсность частиц, характеризующая их крупность и распределение по размерам; форма частиц; степень шероховатости их поверхности; межзерновая пустотность или порозность слоя (ε), определяемая по известной формуле:

(27)

где ρн насыпная плотность зернистого материала;

ρ_Т плотность материала в куске.

Основными расчетными характеристиками при проектировании процессов и аппаратов для рассматриваемого случая взаимодействия гидродинамического потока со слоем зернистого материала являются эквивалентный диаметр межзерновых каналов, истинная скорость потока в межзерновых каналах, сопротивление движению потока со стороны зернистого слоя, на основе которого в дальнейшем определяется, например, мощность привода к дымососу или другому виду оборудования, обеспечивающего заданный поток жидкости или газа. В специальной литературе можно встретить несколько вариантов расчетов обозначенных характеристик. Для всех из них присуща определенная доля условностей, связанных с объективными трудностями определения расчетных характеристик зернистого слоя.

 

4.8.3 Гидродинамика  кипящего (псевдоожиженного)

зернистого слоя

Образование псевдоожиженного, или кипящего, или взвешенного слоя является следствием того, что при достижении первой критической скорости – скорости псевдоожижения w_пс, сила тяжести каждой частицы и слоя в целом уравновешивается гидродинамическим напором потока, движущегося снизу вверх. В результате слой материала теряет неподвижность и переходит во взвешенное (от слова – взвесь) состояние, при котором частицы теряют прежний взаимный контакт, получают возможность перемещаться и перемешиваться; слой расширяется, в нем наблюдается проскакивание газовых пузырей, а на свободной поверхности – волны и всплески. В этом состоянии слой напоминает кипящую жидкость, благодаря чему он назван псевдоожиженным или кипящим. При неизменной скорости потока поверхность слоя остается на одном и том же уровне. Это объясняется тем, что после того, как скорость в межзерновых каналах достигла первого критического значения, частицы начинают уходить из слоя, при этом слой расширяется, порозность его возрастает и, соответственно, скорость потока в межзерновых каналах согласно закону постоянства расхода снижается; гидродинамический напор на частицу также снижается, и она возвращается в слой. Но при этом напор на частицу снова возрастает, и она выходит из слоя и так далее. В результате имеет место пульсация слоя. Таким образом, непосредственной причиной непрерывного перемещения частиц в слое являются флуктуации скорости жидкостного или газового потоков.

Структура взвешенного слоя является важнейшей характеристикой, предопределяющей широкое применение на практике псевдоожиженного состояния зернистого слоя. В строительных технологиях – это сушилки и печи с псевдоожиженным слоем, работающие весьма эффективно благодаря всестороннему контакту газового потока с частицами зернистого материала _{(рисунок 20).} Наилучшей структурой слоя считается такая, когда слой интенсивно пульсирует, но не теряет своей однородности, кроме того, в нем снизу вверх движутся разрозненные пузыри воздуха.

Но при некотором неблагоприятном  сочетании параметров процесса (слипающийся  материал, малый диаметр аппарата, повышенная скорость потока) пузыри газа объединяются в один сплошной пузырь, занимающий все сечение аппарата. При этом слой материала в целом  или его часть поднимается вверх и снова опускается на решетку, не перемешиваясь, а газ уходит по временно прорывающимся каналам. Такой режим работы называют поршневым псевдоожижением. Поршневой режим нежелателен, так как при нем резко ухудшается равномерность контакта между газом и частицами.

Другим нежелательным  режимом является такой, при котором  имеет место каналообразование, то есть происходит проскок («байпассирование») значительного количества газа через один или несколько каналов, образующихся в слое. Предельным случаем каналообразования является фонтанирование, при котором поток газа прорывается сквозь слой по одному каналу, возникающему вблизи оси аппарата. Это происходит при малом количестве отверстий в опорно-распределительной решетке и большом их диаметре.

Рисунок 20 – Схема сушилки с псевдоожиженным слоем

высушиваемого материала:

^М₁ ^{– поток влажного материала; М}₂ ^{– поток высушенного материала;}

L₁ – поток сушильного агента на входе в сушилку;

_{L2 – то же, на выходе;}

1 – корпус сушилки; 2 – опорно-газораспределительная решетка;

3 – загрузочное устройство; _{4 – разгрузочное устройство}

Таким образом, требуемая  структура взвешенного слоя достигается  благоприятным сочетанием скорости газового потока, количеством и размерами  отверстий в опорно-распределительной  решетке, диаметром аппарата, высотой слоя материала. При прочих равных условиях равномерность псевдоожижения повышается по мере увеличения скорости прохождения ожижающего агента через «живое» сечение решетки, при этом, однако, возрастает ее гидравлическое сопротивление.