Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

ЭЛЕМЕНТЫ КИНЕМАТИКИ ПОТОКА ГИДРОСМЕСИ

Длительный перенос водой тяжелых частиц во взвешенном состоянии возможен только в турбулентных потоках гидросмеси. Поэтому при изучении кинематической структуры потоков гидросмесей следует исходить из особенностей турбулентного движения однородной жидкости. Причем если правильно оценить влияние твердых частиц на турбулентные характеристики потока, то можно достаточно достоверно описать и кинематическую структуру движущихся гидросмесей.

Под кинематической структурой потоков жидкостей, в том числе гидросмесей, понимаются все геометрические скоростные и пульса- ционные характеристики потоков, не включающие силовых факторов. Таким образом, кинематическая структура потока гидросмеси обусловливается характером распределения скоростей по сечению потока твердого и жидкого компонентов гидросмеси, распределением твердых частиц в зависимости от крупности по сечению потока, характером пульсации скоростей и концентрации частиц в «точках» потока .

Средние и мгновенные скорости

Средней скоростью потока гидросмеси называется объемный расход гидросмеси через единицу площади поперечного сечения потока.

При этом определении имеется в виду реальное распределение скоростей по сечению твердого и жидкого компонентов гидросмеси, что не налагает дополнительных условий на понятия расходной и действительной плотности гидросмеси.

Для призматических потоков гидросмеси при напорном и безнапорном гидротранспорте вектор скорости в каждой точке потока можно разложить на две составляющие: для жидкости и и v (горизонтальную и вертикальную) для твердых частиц цтв и итв.

Составляющие скорости дисперсоида могут быть определены как средневзвешенные по объему из скоростей твердого и жидкого компонентов:


Поскольку первое и второе определения являются до некоторой степени условными, то при пользовании ими следует помнить, какое значение имеет каждое из них.

Для потока гидросмеси, как и для всякого турбулентного потока однородной жидкости, характерно наличие пульсации скоростей (и давлений) в точках потока. Можно полагать, что пульсации скорости твердых частиц вследствие большей массы (инертности) менее интенсивны, чем жидких. Если в точку потока гидросмеси поместить прибор, регистрирующий мгновенные скорости частиц (твердых или жидких), то в течение времени Т показания этого прибора можно записать в виде осциллограммы (рис. 96), на оси ординат которой нанесена шкала мгновенных скоростей, а на оси абсцисс шкала времени. Среднюю скорость в интервале времени Т2 — Т\ можно определить по формуле



Осреднение скорости по объему или по массе выполняют в зависимости от требований решаемой задачи. Так, произведение скорости, осредненнои по времени и по массе, на массу твердых частиц, заключенных в осредняемой области, дает главный вектор количества движения рассматриваемых твердых частиц.

Произведение осредненной по массе скорости на соответствующий элемент площади живого сечения потока и осредненную по объему и времени плотность дает секундный расход массы гидросмеси, проходящей через рассматриваемый элемент площади живого сечения.

При определении объемного расхода гидросмеси необходимо скорость осреднять по объему и времени. При осреднении характеристик турбулентного потока гидросмеси, характеризующегося постоянным изменением скоростей и давлений по величине и направлениям во всех его точках, сам турбулентный поток как бы заменяется параллельно струйным течением гидросмеси.

При решении большинства практических задач гидротранспорта очень удобно заменять мгновенные характеристики турбулентного потока неоднородной жидкости осредненными характеристиками. При этом в результате инженерных решений не вносятся существенные погрешности.

Осреднение по объему различных мгновенных характеристик потока гидросмеси записывают в следующем виде:


Значения величин, осредненных по объему, относятся к геометрическому центру объема осреднения, а значения величин, осредняемых по массе, — к центру масс, содержащихся в объеме осреднения.

Критическая скорость при гидротранспорте

Твердые частицы, переносимые напорным или безнапорным потоком воды, при некоторой скорости движения начинают оседать на дно потока. Средняя скорость потока гидросмеси, соответствующая началу осаждения твердых частиц на дно, называется критической скоростью. Величина критической скорости для определенных трубопроводов грунта и консистенции гидросмеси имеет важное практическое значение, так как при скоростях ниже критической возможно частичное или полное заиление трубопровода.

В зависимости от критической скорости возможные скорости при гидротранспорте подразделяются на три области: область скоростей выше критической, близких к критической и ниже критической. Такое подразделение имеет методические и практические удобства. В области скоростей (п>иКр) весь грунт транспортируется во взвешенном состоянии. При скоростях, близких к критической (а~иКр), грунт в основном транспортируется во взвешенном состоянии, но большое количество твердых частиц передвигается вблизи дна, причем на дне может лежать тонкий слой грунта, периодически смываемый потоком. При гидротранспорте в производственных условиях поддерживать постоянно критическое значение скорости не представляется возможным.

При дальнейшем уменьшении средней скорости движения гидросмеси на дне потока будет находиться постоянный слой заиления. Структура потока гидросмеси при критической скорости характеризуется тем, что поток предельно насыщен возле нижней его границы и всякое новое количество грунта, введенное в поток, осядет на дно.

Структура потока гидросмеси в придонных слоях зависит от степени насыщенности потока твердыми частицами и их крупности, тем более, если частицы имеют различную крупность, а также различную плотность.

Распределение скоростей в потоке зависит от значений средней консистенции потока гидросмеси средней скорости ее движения и гранулометрического состава твердой фракции. Кроме того, на распределение скоростей по сечению потока влияют геометрическая форма русла и шероховатость его границ.

В том случае, если значение консистенции гидросмеси большое и скорости близки к критической, при транспортировании крупнозернистого материала на дне потока может образоваться довольно значительный слой из этого материала, насыщенного водой.

При значительном насыщении гидросмеси твердой фракцией образуется уже не обычная гидросмесь, а некоторая плывунная масса, медленно движущаяся у дна потока. Толщина такого слоя при наблюдениях через прозрачные вставки в трубах диаметром 250—450 мм достигает 100 мм. По визуальным наблюдениям можно утверждать, что распределение скоростей в таком слое близко к линейному, иногда этот слой на мгновение останавливается и толчками, спазматически начинает двигаться вновь. Явление толчков, по-видимому, объясняется пульсациями скоростей и давлений в напорных потоках, в которых, кроме пульсаций, присущих безнапорному турбулентному потоку, имеются пульсации, свойственные замкнутым системам, берущим свое начало в неравномерности подачи гидросмеси.

Наличие значительного слоя движущейся рыхлой грунтовой массы у дна трубопровода объясняется действием силы тяжести на твердые частицы. Движущиеся в .большом количестве у дна потока твердые частицы обусловливают большее значение коэффициента трения у дна, чем в верхней части трубы. Следовательно, напряжение силы трения в верхней части трубы было бы меньше, чем по периферии нижней части трубы, если бы эпюра распределения скоростей оставалась несимметричной. Но в область меньшего сопротивления устремляются потоки жидкости, что вызывает внутреннюю циркуляцию в трубе, которая является дополнительным фактором взвешивания частиц в турбулентном потоке и оказывает размывающее воздействие на стационарный слой грунтовой массы в трубах; у дна горизонтальных труб образуется как бы движущийся «кипящий слой» с достаточно высокой динамической сплошностью.

При увеличении средней консистенции гидросмеси увеличивается и толщина придонного слоя грунтовой массы (при прочих равных условиях) ; оседание частиц на дно трубопровода из такой плывунной массы затрудняется (уменьшается скорость стесненного падения твердых частиц в жидкости); предельный градиент давления с увеличением консистенции гидросмеси увеличивается, что в свою очередь затрудняет задержку твердых частиц на дне потока. Таким образом, как это подтвердили опыты, при увеличении средней консистенции гидросмеси значение критической скорости сначала возрастает, а затем уменьшается или остается постоянным при некотором значении консистенции гидросмеси для данного состава грунтовой массы.

Гидромеханизация. Учебное пособие для вузов. А. П. Юфин. Изд. 2-е, перераб и доп М., Стройиздат, 1974, 223 с.

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики