Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

ПУЛЬСАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТОКА ГИДРОСМЕСИ

К пульсационным характеристикам несущего потока в первую очередь относятся абсолютные значения амплитуд и частот пульсаций скоростей и давлений в точках потока, а также пульсации локальных значений консистенции. Кроме того, самостоятельную роль играют некоторые вторые моменты из пульсационных добавок, которые приобретают особый, вполне определенный физический смысл, например касательные напряжения в потоке, перенос количества движения и др.

Такие характеристики имеют вид и т. д. Смысл третьих моментов пока не изучен, и произведения типа здесь не рассматриваются.

Причиной пульсаций является вихревая структура турбулентного потока. Поскольку турбулентный поток состоит из множества вихрей различных размеров (от равных поперечным размерам потока до самых маленьких, измеряемых долями миллиметра, которые гасятся под воздействием вязкости жидкости и инертности твердых частиц), то и пульсации перечисленных выше величин по частоте и амплитуде различны и составляют своим разнообразием полный спектр значений. На основании результатов исследований пульсаций скоростей и связанных с ними давлений можно считать, что значения пульсаций физических величин, компонентов этих пульсаций и значений их локальных производных по времени удовлетворяют закону нормального распределения случайных величин Гаусса. Об этом можно судить только по исследованиям пульсаций в потоке чистой воды; аналогичных исследований в потоках гидросмеси пока не производилось. В потоках гидросмеси изучались пульсации давления только на границе потока (исследования И. В. Филимоновой).

Пульсации скорости можно измерять термоанемометрами специальной конструкции. Пульсирующее давление на границе и внутри взвесенесущего потока измеряют датчиками различных конструкций; моменты корреляции корреляторами (или коррелометрами).

При экспериментальном изучении пульсации на дне взвесенесущего потока (в лотке) установлено, что различные частоты пульсации давления являются результатом существования в потоке вихрей различных размеров. Чем больше размер проходящего вихря, тем ниже частота пульсации давления. Максимальное пульсирующее давление наблюдается в момент прохождения лобовой части вихря.

По характеру осциллограмм можно судить о размерах проходящих над дном потока вихрей (рис. 108).

Введение твердых частиц в турбулентный поток способствует снижению наивысшей частоты пульсации давления, причем чем выше консистенция, тем сильнее смещается спектр в сторону низких частот (рис. 109). Снижение наивысшей частоты пульсации давления, соответствующей микроструктурным вихревым образованиям, размеры которых обусловлены вязкостными свойствами жидкости, с увеличением консистенции гидросмеси можно объяснить следующим. Так как наличие в потоке твердых частиц увеличивает диссипацию (рассеяние) энергии вследствие повышения внутреннего трения между отдельными объемами жидкости, то, если в однородной жидкости (воде) до введения в нее твердых частиц самые малые вихревые массы имели размер 1\, с введением инертных частиц будут диссипировать и более: крупные вихри до размера /2, причем l2>h- Интенсивность крупных вихрей и угол наклона их ко дну потока возрастают с увеличением средней скорости и глубины потока. При малых значениях средней скорости потока образование и движение вихрей по поведению твердых частиц проследить не удается.

Очевидно, основной причиной возникновения крупных вихрей является наличие градиента скорости в поперечном сечении потока. В потоках большой глубины градиент скорости распространяется только до некоторой высоты, выше которой жидкость движется почти с одинаковой скоростью. Поэтому макрострук- турные образования (вальцы) обычно доходят до тех горизонтов, от которых скорость уже не увеличивается и вальцы будут существовать только в этой придонной области (рис. 110). При введении в поток твердых частиц градиент скорости увеличивается и область повышенного градиента распространяется на более удаленные, чем при течении воды (при прочих равных условиях), горизонты жидкости. Следовательно, введение твердых частиц до некоторых, правда, весьма значительных консистенций потока усиливает образование крупных вихрей.

Как показали исследования И. Ф. Филимоновой, при некоторых больших значениях средней скорости движения гидросмеси структура потока такова, что крупные вихри обладают достаточной энергией для того, чтобы не только полностью приподнять твердые частицы на некоторую высоту над дном, меньшую высоты вихря, но и вовлечь твердые частицы в свое движение, т. е. «перенести» их в себе и вместе с массой жидкости обрушить вниз на дно.

Поскольку твердые частицы тяжелее воды, то гидродинамическое давление, создаваемое вихрем с находящимися в нем твердыми частицами, будет больше, чем давление, создаваемое вихрем чистой воды.

При меньших значениях средней скорости потока вихри обладают меньшей энергией, которой хватает только на то, чтобы приподнять твердые частицы на некоторую высоту над дном. Причем, затратив большую часть своей энергии, вихрь распадается на более мелкие вихри, передавая им свою энергию. При этом вихрь уже не в состоянии удержать в себе твердые частицы, которые под действием собственного веса будут выпадать на дно. Падая через вихрь (пересекая вихрь), твердые частицы будут дополнительно содействовать его распаду, представляя собой как бы завесу для вращающейся в вихре жидкости



При введении твердых частиц гидродинамическое воздействие потока на дно будет меньшим, чем в потоке чистой воды, в результате того, что твердые частицы «тормозят» вращение вихря или разрушают его. Следовательно, влияние твердых частиц на пульсацию гидродинамического давления определяется соотношением между кинематической структурой потока, т. е. размерами и интенсивностью вихрей, количеством твердых частиц, переносимых потоком, и их крупностью.

В суспензиях меловых, глинистых, с очень мелкими углями и им подобными примесями, которые характеризуются образованием структуры, пульсации с увеличением консистенции гаснут быстрее, чем в гидросмесях, не имеющих тиксотропных свойств, что объясняется природой таких жидкостей, склонных гасить всякие проявления турбулентности, и в первую очередь, в результате значительного возрастания вязкости при увеличении плотности гидросмеси.

Характерно, что для структурных жидкостей пульсации с увеличением средней скорости возрастают интенсивнее, чем в гидросмесях с зернистой твердой составляющей. Это можно объяснить тем, что вязкость с увеличением средней скорости падает в некотором диапазоне ее значений.

Пульсации продольного компонента скорости измеряют гидродинамическим датчиком на тензометрической основе. При обработке осциллограммы его показаний получилась спектральная функция распределения энергии пульсации для чистой воды и различных концентраций мелкого песка (до 15 г/л).

Из характерных для таких опытов графиков (рис. 111 и 112) видно, что с увеличением консистенции спектральная функция становится более пологой, максимум ее убывает и перемещается вправо в сторону более высоких частот. Общее количество пульсационной энергии при этом уменьшается.

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