Основы кинематики и динамики взвесенесущего потока жидкости

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 величиной 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' _x, u'_y, u'_z, как известно, могут достигать до 14% от 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. Частички твердого реагируют на турбулентные пульсации жидкой среды. В результате турбулентного перемешивания жидкости и пульсации скоростей и давления происходит поддерживание во взвешенном состоянии твердых частиц переносимых потоком.

В зависимости от размера взвешенных частиц и несущих их малых 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 в напорном потоке в трубах 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.

Результаты теоретических исследований в большинстве случаев значительно отличаются от результатов экспериментальных исследований, проводимых на гидравлических стендах и в натурных условиях.

К гидродинамической характеристике взвесей относятся 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, получило название скорости трогания V_тр.

Частички твердого вещества, находящиеся в воде, образуют гидросмесь. Гидросмесью называется смесь мелкого искусственно размельченного или естественного материала с водой [18].

Гидросмеси можно рассматривать как ньютоновскую жидкость, если твердые 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:

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

 - движение в виде волн;. на дне трубы осаждение частичек произошло 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 тубы 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. 2 изображен график изменения удельных гидравлических потерь i _s в трубопроводе в зависимости от средней скорости V и концентрации частиц по сечению (i _s = , h_w – гидравлические потери, ℓ – длина трубы).

На графике выделены четыре характерных зоны видов движения взвесенесущего потока.

Первая зона 1– вид течения в случае неоднородного потока с наличием постоянного слоя заиления трубы.

Скорость V₁ – скорость, при которой на стенке трубы начинается образовываться слой заиления.

Когда V<V₁ возникает постоянный слой заиления, при V>V₁, твердые частицы начинают перекатываться и двигаться скачкообразно, при этом будет наблюдаться образование скользящего слоя по дну трубы или волн.

При увеличении скорости до V₂ происходит исчезновение скользящего слоя частиц и волн.

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

Третья зона 3 - соответствует виду течения неоднородного потока. Частицы перемещаются во взвешенном состоянии с наибольшей концентрацией у дна трубы в этой зоне V (V₃ >V>V₂).

Четвертая зона 4 - представляет собой однородный поток при больших скоростях V (V>V₃), когда за счет пульсаций скоростей и давлений происходит достаточно равномерное распределение концентрации по сечению трубы.

Из графика на рис. 2 видно, что минимуму удельных гидравлических потерь i _s соответствует критическая скорость V_кр, которая находится между скоростями V₁ и V₂ во 2-ой 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 в воде частиц твердого материала гидросмеси могут быть: песчаными, песчано-гравийными, шлаковыми, зольными, илистыми, шлаковыми, угольными, торфяными и т.д.

Гидросмеси обычно классифицируются по содержанию частичек определенного размера. При размере частичек до 150 мкм гидросмесь является тонкодисперсной или суспензией. Грубодисперсной гидросмесью называется смесь, когда размеры частиц изменяются от 150 мкм до 2мм. При крупности частиц более 2мм имеем полидисперсную гидросмесь.

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 С_о. Такой поток соответствует неньютоновским жидкостям. И он представляет собой суспензию. К ним относятся потоки, осуществляющие перемещение осадков сточных вод.