ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГИДРОСМЕСЕЙ
При движении гидросмеси твердые частицы под действием силы тяжести стремятся вниз и, когда движение прекратится, оседают на дно потока. Таким образом, гидросмесь может существовать только в движении. Физические свойства гидросмеси в значительной степени обусловливаются свойствами ее жидкой и твердой составляющих.
Гидравлическая крупность твердых частиц
Условия транспортирования твердых частиц водным потоком обусловливаются их крупностью, если грунт однороден по крупности, и гранулометрическим составом, если твердый компонент гидросмеси представлен разнородными по крупности частичками. Форма и плотность твердых частиц играют известную роль во взвешивании и переносе их. Указанные факторы условно можно объединить в одну общую характеристику — гидравлическую крупность.
Гидравлической крупностью называется скорость свободного падения твердых частиц в спокойной воде при температуре 20°С. Эта скорость действительно обусловливается крупностью, массой и формой частиц, но гидравлическая крупность не может быть исчерпывающей характеристикой, твердых частиц, транспортируемых потоком. Очень маленькая! но тяжелая частица (например, крупинка золота или платины) будет иметь ту же гидравлическую крупность, что и более крупная частица кварцевого песка, но условия движения этих частиц в потоке не будут вполне идентичными в смысле восприятия динамических воздействий со стороны потока и особенно при отрыве от дна потока. Исходя из этого при расчетах гидротранспорта разнородного по массе грунта (твердого материала) в расчетных формулах (для определения гидравлических потерь и заиляющих скоростей) кроме гидравлической крупности необходимо учитывать механический состав и физический размер твердых частиц. Для однородных по массе грунтов гидравлическая крупность является достаточно полной характеристикой твердого компонента гидросмеси, определяющей возможность транспорта данного грунта потоком воды по трубам или лоткам.
Характер обтекания частиц водой при их падении различен и зависит в основном от размера частиц. Для очень мелких частиц сопротивление жидкости их падению пропорционально скорости падения в первой степени (ламинарное обтекание); с увеличением размера падающих частиц показатель степени увеличивается и при некотором значении равен 2 (турбулентное обтекание).
Для определения гидравлической крупности частиц предложены различные формулы связывающие геометрический размер частиц со скоростью их падения. Для падающих с постоянной скоростью мелких частиц применим следующий закон Стокса:
Реттингер предложил формулу для определения гидравлической крупности крупных зерен для которых действительно турбулентное обтекание, т. е. имеется квадратичный закон сопротивления падению твердых частиц в покоящейся воде:
Экспериментальным путем Реттингер нашел, что коэффициент Ар для шарообразных тел в воде равен 2,73; для продолговатых тел — 2,97; для плоских тел — 1,97.
Для переходной области сопротивления падению частиц в воде, для которой сопротивление пропорционально скорости падения в степени, большей 1, но меньшей 2, т. е. для зерен средних размеров, Аллен предложил следующую формулу для определения гидравлической крупности:
Плотность гидросмеси
Общее понятие о плотности гидросмеси не содержит в себе никаких особенностей по сравнению с известным физическим определением этого понятия применительно к однородным жидкостям или твердым телам, т. е. плотностью гидросмеси называется масса единицы ее объема. Относительной плотностью гидросмеси называется отношение массы гидросмеси к массе воды при 4 °С, взятых в одинаковых объемах.
Однако применительно к гидросмеси следует давать уточняющие понятия: расходная и действительная плотности гидросмеси. Поскольку консистенция гидросмеси однозначно определяется через ее плотность, то и консистенцию следует подразделять на расходную и действительную.
Расходной плотностью гидросмеси называется плотность гидросмеси в измерительной емкости, т. е. той гидросмеси, которая, вытекает из труб гидротранспортной установки и собирается в какой-либо сосуд. Если объем гидросмеси в этой емкости равен W, а масса равна и, то расходная плотность гидросмеси определится из соотношения
Если какими-либо быстродействующими устройствами отсечь участок трубы, по которой протекает гидросмесь (без осадка на дне трубы), и если объем гидросмеси в отсеке равен Wu а масса этой гидросмеси равна <7Ь то отношение этих величин определит значение действительной плотности:
Поскольку нижняя часть горизонтальной трубы при гидротранспорте более насыщена твердым материалом и находится она в зоне сравнительно малых скоростей, поэтому жидкость, текущая в верхней части трубы с достаточно большой скоростью, в большем количестве натекает в приемную емкость, как бы разжижая гидросмесь, чем и обусловлено неравенство рд>Рр.
А. С. Стариковым изучено движение песчаных гидросмесей по трубам диаметром 500 мм. Он установил, что при скорости движения гидросмеси 3,8—4,5 м/с и консистенции 20—25% средняя скорость движения грунта составляет 0,7—0,85 от скорости воды. Действительная консистенция гидросмеси в этих условиях превышала расходную в 1,15—1,3 раза. Средняя крупность содержащегося в потоке гидросмеси грунта оказалась на 7—-15% больше средней крупности грунта перед входом во всасывающую трубу или после излияния гидросмеси из конца напорного пульпопровода. Эта разница объясняется повышенной скоростью перемещения мелких частиц в верхней части потока и пониженной скоростью движения крупных частиц в нижних слоях потока (у дна пульпопровода).
Консистенция гидросмеси
Для характеристики степени насьцценно- сти воды грунтом при движении гидросмесей пользуются двумя терминами: «консистенция» и «концентрация». В настоящем учебнике принят первый термин.
Слово «консистенция», происходящее от латинского consistentia, означает «состояние» и - применяется при определении физического состояния вещества. В этом смысле оно может применяться и для характеристики состояния гидросмеси в смысле ее состава, т. е. для оценки процентного содержания твердого вещества в жидком по массе или по объему.
Следовательно, под консистенцией гидросмеси в строгом физическом смысле слова следует понимать степень насыщения твердым веществом пространства, занимаемого гидросмесью. Степень насыщения может выражаться весовыми или объемными соотношениями, поэтому вводятся понятия объемной и весовой консистенции.
Объемная консистенция — понятие геометрическое, не зависящее ни от каких качественных характеристик рассматриваемой среды (например, от плотности твердого вещества, скорости движения среды и пр.). Объемная консистенция может быть представлена следующими отношениями:
объема плотного грунта к объему воды, с которой смешивают грунт;
объема грунта в его естественном виде к объему воды, с которой грунт смешивают и которая содержится в порах грунта;
объема плотного грунта к объему смеси; объема грунта в его естественном виде (в рыхлом теле) к объему смеси.
Весовая консистенция может быть представлена такими отношениями:
массы твердого вещества к массе воды, входящей в состав гидросмеси;
массы твердого вещества, входящего в гидросмесь, к массе всего рассматриваемого объема гидросмеси.
Консистенцию можно оценивать как среднюю во времени, так и мгновенную для данной точки пространства или конечного объема, выделяемого из пространства, которое занято движущейся гидросмесью. Исходя из этого, можно дать следующие определения.
1. Средней консистенцией в точке потока называется предел отношения объема твердого вещества, которое содержится в некотором пространстве, ограниченном замкнутой поверхностью, окружающей данную точку, к объему этого пространства при его стремлении к нулю.
2. Мгновенной консистенцией в точке пространства, заполненного потоком гидросмеси (в точке потока), называется действительное содержание твердого вещества в данной точке. Рассматриваемая (фиксированная) точка пространства в данный момент времени может находиться либо внутри частицы жидкости, либо внутри частицы твердого вещества. Следовательно, мгновенное значение консистенции гидросмеси в точке потока может быть равным либо единице, если точка находится в проходящей через нее твердой частице, либо нулю, если точка находится в жидкой среде.
3. Мгновенной консистенцией гидросмеси в ограниченном объеме называется отношение объема твердого вещества в мгновенно выделенном ограниченном пространстве, занятом гидросмесью, к объему этого пространства.
4. Средней консистенцией в ограниченном пространстве, занятом гидросмесью, называется среднеарифметическое значение во времени мгновенных консистенций в этом пространстве.
Величину консистенции гидросмеси необходимо знать для рационального ведения процессов намыва земляных сооружений, для установления наивыгоднейших режимовгидротранспорта и наиболее экономичных режимов работы землесосных снарядов.
Вязкость водопесчаной гидросмеси
Зернистые твердые материалы, составляющие гидросмесь, не могут изменить вязкости жидкого компонента, поэтому вязкость гидросмесей песчаных, гравелистых и им подобных следует считать равной вязкости воды. Наличие твердых частиц в водном потоке, безусловно, влияет на величину и характер внутреннего трения в потоке, но это трение отличается от трения между слоями однородной (гомогенной) среды, хотя, имея в виду повышенное трение в гидросмеси (в общем случае), можно говорить и о повышенной вязкости гидросмеси по сравнению с вязкостью воды.
А. А. Эйнштейн характеризует вязкость гидросмесей, содержащих зернистые материалы, следующей формулой:
Для однородных жидкостей Ньютон дал следующее выражение для определения напряжения внутреннего трения:
Жидкости, удовлетворяющие соотношению (167), называются нормальными, или ньютоновскими. Жидкости, не удовлетворяющие выражению (167), относятся к классу неоднородных (гетерогенных), аномальных, неньютоновских.
Если твердая фракция представлена очень мелкими, например глинистыми, илистыми и им подобными частицами, то при смешивании таких частиц, с водой получаются устойчивые смеси, в которых твердое вещество не осаждаетсядаже при-длительном покое. Такие жидкости имеют особые структуры, обусловливающие специфические вязкостные свойства. Но и такие жидкости, хотя и приближаются по своему характеру к однородным, остаются аномальными, неньютоновскими жидкостями, так как не удовлетворяют соотношению (167).’