Установка для исследования осаждения совокупности твердых частиц в жидкости

Изобретение относится к области разработки установок для лабораторных исследований физических процессов, в частности для исследования закономерностей движения совокупности твердых монодисперсных сферических частиц в жидкой среде при их гравитационном осаждении.

Процесс движения совокупности частиц в поле силы тяжести играет важную роль в гидродинамике двухфазных (и многофазных) течений. Этот процесс имеет важное практическое значение в задачах экологии (очистка водоемов от примесей), в угольной промышленности (гидроподавление пыли в угольных шахтах), при ликвидации последствий катастрофических явлений техногенного или природного характера (извержение вулканов, промышленные взрывы и т.п.), в теплоэнергетике (сжигание распыленных топлив), в процессах химической технологии (осадительные колонны) и в целом ряде других отраслей техники и технологии [1].

Известно, что характер движения совокупности твердых частиц при гравитационном осаждении в жидкости существенно зависит от их начальной концентрации [2]. Теоретический анализ задачи не позволяет однозначно определить форму, коэффициент сопротивления и, следовательно, скорость осаждения совокупности частиц [3]. Для получения достоверных зависимостей используются, как правило, результаты экспериментальных исследований.

Известны установки для исследования закономерностей гравитационного осаждения совокупности твердых частиц, основанные на введении частиц в жидкость и их визуализацию при движении [4-6]. Эти установки отличаются механизмом введения в жидкость совокупности твердых частиц.

Известна установка, основанная на использовании кассеты и двух пластин, в которых на равных расстояниях просверлено одинаковое количество отверстий [4]. Пластины крепятся к кассете таким образом, что при движении одной из пластин с помощью соленоидов и совмещении отверстий обеих пластин происходит сброс частиц с регулируемым вертикальным расстоянием между частицами. Данная установка не применима для исследования процесса гравитационного осаждения твердых частиц в вязкой среде, поскольку сброс частиц происходит в воздухе над кюветой с жидкостью и при смене дисперсионной среды начальное расстояние между частицами при сбросе не сохраняется, в результате чего частицы движутся в виде отдельных агломератов.

Известна установка, согласно которой введение совокупности частиц осуществляют при помощи четырехугольной коробки с просверленными в ней отверстиями [4]. Эти отверстия заполняют частицами и из коробки откачивают воздух. Сброс частиц осуществляют после погружения коробки в жидкость впуском в нее воздуха. Данная установка не позволяет получить совокупность частиц с нулевой начальной скоростью за счет ускорения частиц, создаваемого при впуске воздуха в коробку.

Известна установка, заключающаяся во вводе совокупности частиц при совмещении отверстия цилиндрического контейнера, наполненного частицами, и заслонки, скользящей вдоль дна контейнера [5]. Указанная установка не позволяет получить совокупность равномерно распределенных частиц.

Наиболее близким по технической сущности является установка, в которой для исследования процесса гравитационного осаждения совокупности твердых частиц используется кювета с рабочей жидкостью, система визуализации и устройство ввода частиц в виде шприца, поршень которого перемещается с помощью шагового двигателя [6]. В данной установке совокупность частиц после введения в жидкость принимает произвольную неконтролируемую форму, а также не обеспечивается получение совокупности частиц с заданной начальной концентрацией и с нулевой начальной скоростью.

При экспериментальном исследовании закономерностей осаждения облака из совокупности частиц принципиально важным является обеспечение строго заданной начальной концентрации частиц.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка установки для исследования процесса гравитационного осаждения совокупности твердых монодисперсных сферических частиц, обеспечивающей повышение точности определения основных характеристик и динамики осаждения совокупности частиц за счет создания исходного сферического облака с заданной концентрацией частиц и с нулевой начальной скоростью осаждения.

Технический результат изобретения достигается тем, что разработана установка для исследования осаждения совокупности твердых частиц в жидкости, включающая прозрачную призматическую кювету с рабочей жидкостью, устройство введения сферических монодисперсных частиц в жидкость и систему визуализации процесса осаждения. Устройство введения частиц выполнено в виде плоского диска с равномерно размещенными на его поверхности отдельными ячейками в форме сферических сегментов, в каждую из которых помещена предварительно смоченная рабочей жидкостью твердая частица, причем диск с направленными вниз частицами размещен в верхней части кюветы с возможностью одновременного отрыва частиц при их контакте с рабочей жидкостью в кювете, радиус и глубина ячеек соответствуют неравенствам, а

r≥0.75d, h≤0.5d,

количество ячеек соответствует уравнению

,

где r, h - радиус и глубина ячеек;

n - количество ячеек;

C₀ - заданное значение начальной объемной концентрации совокупности частиц;

D - диаметр диска;

d - диаметр частиц.

Сущность изобретения поясняется рисунками.

Фиг. 1 - Формы поверхности диска для размещения частиц: a - плоская; b - профилированная.

Фиг. 2 - Схема размещения частицы в ячейке.

Фиг. 3 - Видеоряд процесса осаждения совокупности частиц в жидкости.

Фиг. 4 - Схема экспериментальной установки.

Фиг. 5 - Фотография дисков с ячейками разных радиусов.

Полученный положительный эффект изобретения связан со следующими факторами.

1. Характер отрыва частиц от диска и начальная конфигурация облака из совокупности твердых частиц зависит от формы поверхности, с которой частицы отрываются при погружении в рабочую жидкость. Эксперименты по получению консолидированной системы равномерно распределенных частиц для разных форм поверхности отрыва, приведенных на Фиг. 1, показали, что при использовании диска с плоской поверхностью (Фиг. 1a) требуется трудоемкая процедура помещения на диск частиц с заданным расстоянием между ними. При этом после соприкосновения частиц с рабочей жидкостью частицы, расположенные по периферии пластины, начинают двигаться в ее центр и неравномерно отрываются, образуя совокупность твердых частиц произвольной формы. При использовании диска с ячейками в форме сферических сегментов (Фиг. 1b), в которые помещают предварительно смоченные частицы, происходит равномерный одновременный отрыв частиц с образованием начального сферического облака равномерно распределенных частиц с заданной начальной объемной концентрацией.

2. Начальная форма облака из совокупности частиц зависит от начального распределения частиц на диске. Эксперименты по введению частиц в жидкость показали, что облако из совокупности частиц сферической формы можно получить только при помещении в ячейки, сделанные на одинаковом расстоянии друг от друга, по одной частице. В противном случае при закладывании более одной частицы в каждую ячейку после отрыва частиц от диска облако из совокупности частиц принимает произвольную, отличную от сферической форму.

3. Помещение диска с направленными вниз частицами в рабочую жидкость обеспечивает равномерный отрыв частиц от поверхности диска за счет действия силы тяжести и формирование равномерно распределенной совокупности частиц.

4. Характер отрыва частиц от диска с ячейками сферической формы и, в частности, формирование сферического облака равномерно распределенных частиц зависит от диаметра и глубины ячеек. Результаты экспериментов для разных значений радиуса и глубины ячеек показали, что равномерный отрыв с последующим формированием близкого к сферическому симметричного облака из совокупности частиц происходит лишь при следующих значениях радиуса r и глубины h ячеек:

r≥0.75d, h≤0.5d,

где d - диаметр твердой сферической частицы.

При использовании ячеек со значениями r<0.75D, h>0.5d в экспериментах наблюдался неодновременный отрыв частиц от диска (с разницей по времени отрыва первой и последней частицы до 1 минуты) или отсутствие отрыва части частиц от диска.

На Фиг. 2 приведена схема размещения частицы 2, смоченной жидкостью 4, в ячейку 3 радиусом r на диске 1.

5. Эксперименты по созданию совокупности частиц показали, что через некоторый промежуток времени облако частиц после отрыва от ячеек диска принимает форму, близкую к сферической (Фиг. 3). При этом диаметр образуемого облака частиц D_s зависит от диаметра диска D, диаметра частиц и коэффициента динамической вязкости жидкости. В широком диапазоне этих параметров

D_s~(0.2÷0.4)D.

Для оценки можно принять D_s=0.3D.

Количество ячеек в диске выражается из формулы для начальной объемной концентрации совокупности частиц

где V - суммарный объем частиц; V_s - объем начального сферического облака из совокупности частиц.

Подставляя в (1) значения V и V_s

, ,

получим формулу для определения количества ячеек в диске

Формула (2) служит для оценки требуемого количества ячеек на поверхности диска по заданному ориентировочному значению C₀. Уточненное значение начальной объемной концентрации С₀ определялось путем обработки видеоряда, полученного в результате двухракурсной видеосъемки процесса осаждения облака частиц.

Пример реализации изобретения

Пример реализации заявляемой установки приведен на Фиг. 4. Установка состоит из прозрачной призматической кюветы 5 с рабочей жидкостью. С помощью устройства введения частиц в жидкость - диска 1, расположенного в верхней части кюветы с направленными вниз частицами 2, формируется начальное сферическое облако из совокупности частиц 6. Процесс гравитационного осаждения совокупности твердых частиц регистрируется видеокамерами 7. Полученные с видеокамер данные обрабатываются на компьютере 8.

Диск 1 с направленными вниз частицами 2 помещается в кювету 5 с жидкостью, выполненную из оптического стекла в виде правильной призмы размером 30×30×90 см. Через промежуток времени ~ (0.5÷10.0) с наблюдалась дезинтеграция и отрыв частиц от диска с образованием начального сферического облака 6 равномерно распределенных частиц.

Визуализацию процесса гравитационного осаждения совокупности частиц в жидкости проводили с использованием съемки двумя скоростными цифровыми видеокамерами 7 типа Citius С100 в двух ракурсах с темпом съемки (50÷200) кадров в секунду. Обработка видеорядов проводилась с использованием компьютера 5, на который поступала информация с видеокамер. В качестве примера на Фиг. 5 приведена фотография размещения ячеек на поверхности диска. По результатам обработки экспериментальной информации определялись закономерности эволюции конфигурации облака, изменение его объема, концентрации частиц в облаке, скорости движения центра масс и коэффициента сопротивления облака частиц.

Эффективность заявляемого способа подтверждена проведением серии экспериментов по исследованию влияния начальной концентрации на характер гравитационного осаждения и коэффициент сопротивления совокупности частиц при малых числах Рейнольдса. В экспериментах начальная объемная концентрация частиц варьировалась в диапазоне C₀=2.3⋅10^-5÷0.032 за счет изменения количества ячеек n на диске и диаметра диска D в диапазонах n=(62÷264), D=(3÷7) см. В экспериментах использовались стальные диаметром d=(0.2÷2.0) мм и стеклянные диаметром d=1.0 мм шарики. Режим осаждения совокупности частиц варьировался за счет изменения коэффициента динамической вязкости жидкости (водные растворы глицерина, силиконовое масло ПМС-10000) в диапазоне μ=(0.83÷12.4) Па⋅с и диаметра шариков. При этом диапазон изменения чисел Рейнольдса составлял Re=(0.001÷1.0). В качестве примера в таблице приведены расчетные данные по начальной объемной концентрации и количеству ячеек на диске.

В качестве примера на Фиг. 3 приведены видеокадры процесса гравитационного осаждения совокупности стальных шариков (d=1.3 мм) в силиконовом масле ПМС-10000 (μ=11.06 Па⋅с) в разные моменты времени. Момент времени t=130 с соответствует образованию начального сферического облака из совокупности частиц. Из Фиг. 3 следует, что в процессе осаждения конфигурация и объем облака существенно изменяется, что согласуется с результатами других авторов [6].

Таким образом, из приведенного примера следует, что предлагаемая установка обеспечивает достижение технического результата изобретения - повышение точности определения основных характеристик и динамики осаждения совокупности частиц за счет создания исходного сферического облака с заданной начальной концентрацией частиц и с нулевой начальной скоростью осаждения.

Источники информации

1. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. - Л.: Химия, 1982. - 288 с.

2. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. - М.: Мир, 1971. - 536 с.

3. Броунштейн Б.И., Фишбейн Г.А. Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных системах. - Л.: Химия, 1977. - 279 с.

4. Хоргуани В.Г. О характере и скорости падения системы частиц одинаковых размеров // Физика атмосферы и океана. - 1966. - Т. 2. - №4. - С. 394-401.

5. Daniel W.B., Ecke R.E., Subramanian G., Koch D.L. Clusters of sedimenting high-Reynolds-number particles // Journal of Fluid Mechanics. - 2009. - Vol. 625. - pp. 371-385.

6. Metzger В., Nicolas M., Guazzelli E. Falling clouds of particles in viscous fluids // Journal of Fluid Mechanics. - 2007. - Vol. 580. - pp. 283-301.