авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

Динамика вязких циркуляционных течений в трубах и поверхностных воронках

-- [ Страница 3 ] --

В первой части главы рассматривается метод интенсификации турбулент-ного массо- и энергообмена в контрвихревых устройствах (КВУ), состоящих из (рис.7): соосных камер, где производится встречная закрутка отдельных частей потока, противоположно закрученные потоки затем коаксиально вводят в общий канал, где происходит их смешивание и гашение механической энергии.

Рис.7. Схема КВУ: 1 - осевой (центральный) патрубок, 2, 3 - направляющие

лопатки внутреннего и внешнего завихрителей потоков, 4 - обтекатель,

5 - отводящий трубопровод, 6 - закрученные потоки (схема взаимодействия)

При взаимодействии коаксиальных потоков со встречной циркуляцией вихревая вязкость, турбулентные напряжения и диффузионные составляющие, определяющие степень турбулентности среды, имеют весьма высокие значения, поскольку угловая скорость вдоль радиуса меняет знак. Это позволяет обеспечить эффективное перемешивание (турбулентную диффузию) движущейся среды, что является основой ее гомогенизации, с другой стороны - получить эффективное гашение (диссипацию) механической энергии потока. Оба эффекта имеют широкий практический выход: первый - в технологиях смешивания многофазных сред, разноплотностных жидкостей и газов в микробиологии, химии, теплотехнике, энергетике, двигателе- и ракетостроении, второй - в гидротехнических водосбросах для гашения избыточной энергии высокоскоростного потока воды, в системах подавления шума двигателей летательных аппаратов и винтов кораблей и субмарин.

Выполненные с использованием лазерных доплеровских измерителей скорости, термоанемометрической аппаратуры и компьютерных средств регистрации и обработки эмпирической информации, исключающих субъективный человеческий фактор, исследования турбулентной структуры сдвигового течения при взаимодействии спутных коаксиальных потоков со встречной циркуляцией (рис.8) подтвердили высказанные выше положения и позволили составить физическое описание картины течения, которое сводится к следующему.

Рис.8. Структура течения на выходе КВУ (створ 3 на рис.7)

В створе объединения коаксиальных противоположно закрученных потоков вдоль радиуса наблюдается высокий градиент угловых скоростей, стремящийся к бесконечности в сдвиговом слое. Это приводит к появлению здесь вторичных вихрей, генерирующих, в свою очередь, вихри следующего порядка малости и т.д. Таким образом, механическая энергия переходит от коаксиальных закрученных потоков к вихрям все более мелкого масштаба, пока в результате работы, совершаемой против сил вязкого трения, не преобразуется в тепловую. Процесс передачи энергии к меньшим масштабам, называемый энергетическим вихревым каскадом, характеризуется исключительно высокой интенсивностью. Вихревой каскад определяет и высокую скорость массообменных процессов. По рис.8 можно видеть, что в исследованном устройстве в сечении на расстоянии 6-ти диаметров от створа объединения противоположно закрученных потоков имеется единое течение, лишенное следов макровихрей противоположного знака. Результаты исследований позволили разработать методы гидравлического расчета контрвихревых устройств, изложенные в работе.

Во второй части главы обсуждается метод подавления турбулентности в циркуляционном течении (технология «Око тайфуна»). Технология рассматривается на примере наложения взаимно обратных процессов центробежной седиментации и турбулентной диффузии в прямоточном гидроциклоне (рис.9).

а) б) в)

чистая вода суспензия, эмульсия

(легкая жидкость)

j

m

суспензия

эмульсия

обратный завихритель

ток

прямой

ток

прямой

ток Рис.9. Гидроциклоны:

а) противоточный,

б) прямоточный,

в) расчетная схема

шлам

(тяжелая жидкость)

шлам чистая вода

(тяжелая жидкость) (легкая жидкость)

Для описания процесса прямоточной гидроциклонной седиментации в главе определена скорость осаждения частиц мелкодисперсной примеси в поле центробежных сил. Показано, что эта скорость переменна во времени

, (26)

где - плотность примеси, - время релаксации, - диаметр сферической частицы примеси. Однако, своего предельного значения, ввиду , скорость центробежного осаждения достигает практически мгновенно. Это позволяет в расчетах принимать ее равной

. (27)

Но скорость по (27) также будет переменной, ибо вдоль текущего радиуса гидроциклона изменяются окружные скорости. Для их описания в главе используется модель комбинированного вихря, удобная при анализе соотношения вихревой и потенциальной составляющих в циркуляционно-продольном потоке

, (28)

здесь - окружная скорость у стенки гидроциклона, - радиус гидроциклона, - радиус, на котором окружная скорость имеет максимальное значение.

Подставляя (28) в (27), находим

, (29)

где - число Стокса, равное .

Зная скорость радиального смещения частицы примеси и продольную скорость несущей среды, не представляет труда определить длину цилиндрической части гидроциклона от локального завихрителя (), в конце которой процесс седиментации можно полагать завершенным (рис.9.б). Однако течение в гидроциклоне сопровождается турбулентной диффузией - процессом, обратным седиментации и идущим с существенно более высокой скоростью. В конце участка оба процесса находятся в состоянии баланса, который определяет конечное радиальное распределение концентрации примеси в несущем потоке.

Согласно диффузионной теории М.В. Маккавеева, диффузионный объем жидкости, протекающий через элементарную площадку (рис.9.в), расположенную в сечении ортогонально радиусу трубы гидроциклона, вызванный радиальными пульсациями радиальной скорости , за время составит . При этом диффузионный объем частиц примеси, проходящих вместе с жидкостью через ту же площадку, будет равен

, (30)

где и - соответственно концентрация взвешенных частиц примеси в данной точке потока (или мутность потока) и пульсационная мутность.

Первое слагаемое в правой части (30) равно нулю, ибо за конечное время прошедший через площадку пульсационный объем жидкости интегрально равен нулю. Используя далее понятие пути перемешивания () и учитывая известные соотношения

и , (31),(31’)

в результате получим

. (32)

Через ту же площадку за то же время вследствие центробежного осаждения проходит седиментационный объем примеси, равный . Ввиду баланса (равновесия) в сечении двух взаимно обратных процессов (седиментации и диффузии) объемы равны между собой

или . (33)

Используя далее соотношение (25) и функции распределения окружных скоростей (28) и скоростей осаждения (29), после интегрирования находим

, (34)

где - концентрация примеси у стенки гидроциклона,

(35)

параметр турбулентного центробежного осаждения, с - опытный коэффициент.

Таким образом, радиальное распределение концентрации взвешенных частиц примеси в несущем турбулентном циркуляционно-продольном потоке подчиняется экспоненциальному закону, аналогичному распределению Максвелла-Больцмана статистической физики систем, состоящих их большого числа невзаимодействующих частиц. Причем, если плотность частиц примеси выше плотности несущей жидкости (, при этом ), то примесь будет осаждаться и ее максимальная концентрация будет у стенки гидроциклона, а при меньшей плотности (, и ) - примесь будет всплывать и скапливаться в центральной (приосевой) зоне потока.

Если на входе в гидроциклон концентрацию поступающей примеси принять равномерной по сечению потока и равной , то общий поток примеси составит , где - расход жидкости, - радиус полого вихревого жгута (рис.9.в). Тот же объем следует и через сечение , тогда

. (36)

Интегрируя (36) с учетом (34), находим конечное распределение примеси в турбулентном закрученном потоке по радиусу гидроциклона в сечении

, (37)

здесь - интегральная показательная функция.

Анализ показывает, что повысить степень сепарации примесей в гидроциклоне можно, только повышая абсолютное значение параметра центробежного осаждения по (35). При заданных физических свойствах несущей среды и примеси это возможно двумя путями: первый (традиционный) - повышая фактор разделения или число Стокса Sk за счет повышения , то есть интенсифицируя закрутку; второй (новый, технологический) - увеличивая радиус , что в пределе означает придать закрутке характер вращения по закону «твердого тела». Первый путь с увеличением окружных скоростей ведет к увеличению энергоемкости технологии. Второй - не требует создания высокого напора на входе в гидроциклон и установки дополнительного насосного оборудования, а приводит к положительному результату исключительно за счет регулирования структуры циркуляционного потока, подавляя турбулентность движущейся среды. В целом следует сказать, что турбулентность циркуляционно-продольного течения в результате определяется соотношением в нем «свободного» и «вынужденного» вихрей: чем более поток соответствует течению с вынужденным вращением (), тем, следуя (21’) и (25), ниже степень его турбулентности. Технология подавления турбулентности разработана для ГУП «НТЦ Звезда-М» и получила название «Око тайфуна» (от распределения орбитальных скоростей в ядре тайфуна по закону «твердого тела»).

Выполненные исследования показывают значительные перспективы, открывающиеся с решением проблемы управления турбулентностью движущейся среды. Считая это направление практической гидравлики приоритетным, полагаю необходимым в дальнейшем сосредоточить внимание на внедрении показанных технологий, расширении сферы их применения и на глубоком экспериментальном изучении методов моделирования свойств турбулентных течений структурированием поля скоростей.

В третьей главе рассматривается циркуляционное течение в поверхностной вихревой воронке (рис.10). Это явление широко распространено в природе и может наблюдаться в верхнем бьефе перед глубинными водозаборами гидротехнических сооружений, где его желательно избежать или не допустить прорыва воздушного жгута воронки в напорный водовод. Сегодня методы расчета этого течения далеки от совершенства, поэтому их разработка с целью надежного прогнозирования условий прорыва вихревой воронки в напорный тракт представляет значительный практический интерес.

В главе показано, что циркуляционное течение на свободной поверхности водоема и формирование его в вихревую воронку перед глубинным водоприемным отверстием гидротехнического сооружения не связано ни с бифуркациями потока и их накоплением в массе жидкости, ни с инерционными кориолисовыми силами, обусловленными вращением Земли, а определяется общей структурой течения в области, примыкающей к водозабору.

 а) б) Схема поверхностной-247

а) б)

Рис.10. Схема поверхностной вихревой воронки:

а) при донном сливе, б) при боковом сливе

Факт функциональной связи генерирующей воронку циркуляции и вихревой структуры течения (, ), а также соответствие специфике циркуляционных течений определили в качестве основы математической модели поверхностной вихревой воронки теорию турбулентного переноса завихренности Дж. Тейлора. Исходными данными для расчета воронки служат значения: циркуляции на ее внешней границе, определяемой радиусом , заглубления водоприемного отверстия под уровень бьефа и пропускаемого расхода . Итогом расчета является определение условий прорыва воронки в напорный водовод. Это явление имеет место в том случае, если вихревой жгут достигает сферы радиусом (кривая 3 на рис.10), описанной вокруг устья глубинного водоприемного отверстия. Обычно принимается, что радиус сферы равен радиусу водоприемного отверстия . Если жгут проходит сферу, то в устье водозабора нарастают осевые скорости, течение приобретает свойства потенциального «свободного вихря» (), прорыв которого в напорный водовод становится неизбежным.

Установившееся () осесимметричное () циркуляционное течение в поверхностном глобальном вихре описывается приведенными выше дифференциальными уравнениями движения турбулентной среды (13)-(13”) и неразрывности (7). Если в качестве характерной взять стоковую ско-

рость на внешнем радиусе вихревой воронки (рис.10), точнее ее модуль

, (38)

и нормировать по этой скорости, радиусу и условному давлению уравнения (13)-(13”), то они примут вид

, (39)

, (39’)

, (39”)

где , , , - числа Фруда, Вебера, Эйлера и Рейнольдса, - поверхностное натяжение, , , , , и - нормированные значения пульсационной составляющей скорости потока, радиальной, азимутальной и аксиальной скоростей, давления и кривизны свободной поверхности жгута.

Для исключения из расчетной системы частных производных от давления, потенциала внешних гравитационных сил и сил поверхностного натяжения, а также производной от пульсационной составляющей скорости, продифференцируем уравнение (39) по и вычтем из него (39”), предварительно продифференцированное по . При этом примем модель однородной изотропной турбулентности, при которой , тогда

. (40)

Теперь с учетом уравнения неразрывности (7), выражений для компонент вихря по (4)-(4’) при осесимметричном течении () и циркуляции уравнения (40) и (39’) можно привести к виду

, (41)

. (41’)

Многочисленные исследования течений в поверхностных воронках свидетельствуют о том, что тангенциальная компонента скорости в них незначительно меняется по глубине. Это позволяет положить в (41) и, решая его совместно с уравнением неразрывности (7), для турбулентного течения () найти распределения в области вихревой воронки функций тока и потенциала скорости

, (42)

, (43)



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.