Результат интеллектуальной деятельности: Способ исследования осаждения сферического облака твердых частиц в жидкости

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

Процесс движения совокупности частиц в поле силы тяжести 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 жидкой или газообразной среде существенно зависит от их начальной концентрации и формы облака частиц [2]. Теоретический анализ задачи не позволяет однозначно определить динамику изменения формы, коэффициента сопротивления и, следовательно, скорости осаждения совокупности частиц [3]. Для получения достоверных зависимостей используются, как правило, результаты экспериментальных исследований.

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

Известен механический способ введения совокупности частиц, основанный 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.

Известен вакуумный способ, согласно которому 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. Данный способ не позволяет получить совокупность частиц с нулевой начальной скоростью за счет ускорения частиц, создаваемого при впуске воздуха в коробку.

Известен способ, заключающийся во введении в кювету смоченных рабочей жидкостью частиц с помощью шприца, поршень которого перемещают с помощью шагового двигателя [5]. Попытки использования данного способа показали, что он не обеспечивает получение совокупности частиц с заданной начальной концентрацией и с нулевой начальной скоростью.

Наиболее близким по технической сущности является способ, согласно которому совокупность частиц вводится в жидкость при совмещении отверстия в цилиндрическом контейнере, наполненном частицами, и отверстия в заслонке, скользящей вдоль дна контейнера [6]. Указанный способ не позволяет получить сферическое облако равномерно распределенных частиц.

При комплексном экспериментально-теоретическом исследовании закономерностей осаждения облака из совокупности частиц принципиально важным является обеспечение строго контролируемых начальных параметров (начальная концентрация частиц, близкая к сферической начальная форма облака, нулевая начальная скорость).

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

Технический результат изобретения достигается тем, что разработан способ исследования осаждения сферического облака твердых частиц в жидкости, включающий введение частиц в кювету с жидкостью, выполненную из прозрачного материала, и визуализацию процесса осаждения частиц. Частицы предварительно вводят в сферический контейнер, выполненный в виде двух вложенных друг в друга полусферических перфорированных оболочек с возможностью его открытия при вращении одной из оболочек вокруг оси симметрии, контейнер с направленной вниз подвижной оболочкой помещают в кювету с жидкостью, перемешивают частицы с жидкостью в контейнере путем воздействия ультразвуковых колебаний, генерируемых пьезоэлектрическими преобразователями в виде поляризованных по толщине полых пьезокерамических полусфер, закрепленных на внутренних стенках контейнера через звукопоглощающие прокладки, в течение не менее (2÷3) минут, открывают контейнер поворотом подвижной оболочки на 180 градусов с возможностью введения сферического облака частиц в кювету с жидкостью, при этом время открытия контейнера выбирают в соответствии с неравенством

а начальную концентрацию частиц в облаке определяют по формуле

где τ - время открытия контейнера, с; С₀ - объемная концентрация частиц; ρ - плотность жидкости, кг/м³; μ - коэффициент динамической вязкости жидкости, Па⋅с; ρ_p - плотность материала частиц, кг/м³; R - радиус контейнера, м; D - диаметр частицы, м; g - ускорение свободного падения, м/с²; М - суммарная масса совокупности частиц, кг.

Полученный положительный эффект изобретения связан со следующими факторами:

1. Начальная форма облака из совокупности частиц зависит от формы контейнера, в котором создается облако. Использование сферического контейнера обеспечивает получение начального облака сферической формы (Фиг. 1).

2. Для создания системы равномерно распределенных в жидкости частиц используют контейнер с перфорированными оболочками; через перфорации в оболочках жидкость поступает внутрь контейнера при его помещении в кювету с жидкостью.

3. Вращение одной полусферической оболочки контейнера вокруг оси симметрии обеспечивает открытие контейнера и введение облака частиц в жидкость с нулевой начальной скоростью.

4. Для формирования равномерно распределенных частиц в жидкости необходимо перемешать сформированную систему. Использование ультразвукового воздействия способствует быстрому перемешиванию жидкости и соприкасающихся с ней твердых частиц [7]. Под действием ультразвука размываются пограничные слои между жидкостью и твердыми частицами. Использование звукопоглощающих прокладок, расположенных на внутренних стенках контейнера, предотвращает воздействие ультразвука на жидкость в кювете.

5. Время открытия контейнера выбирают из условия минимальной деформации облака в период открытия. Расстояние, пройденное частицей за время τ, составляет

где u - скорость осаждения частицы.

Это условие сформулируем в виде неравенства

где Δl - смещение нижней границы облака за счет гравитационного осаждения частиц.

Условие (2) означает, что смещение границы облака Δl не превышает 1% от его радиуса R.

Стационарная скорость осаждения одиночной частицы в Стоксовском режиме равна [8]

Подставляя выражение (3) в (2), (3), получим условие для определения времени открытия контейнера

6. Суммарный объем частиц в контейнере определяют по формуле

Объем сферического контейнера равен

С учетом (4), (5) начальное значение объемной концентрации частиц в сферическом облаке определяется формулой

После простейших алгебраических преобразований формула (6) примет

вид

Пример реализации способа

Сущность заявляемого изобретения поясняется схемой, приведенной на Фиг. 1. В контейнер, состоящий из неподвижной 1 и подвижной 2 сферических оболочек, вводили навеску твердых сферических монодисперсных частиц 3. Подвижная оболочка 2 жестко связана с осью 4, которая может вращаться в подшипниках 5. Вращением оболочки 2 контейнер закрывали (Фиг. 1а) и помещали в кювету с жидкостью. Через перфорации 6 жидкость заполняла контейнер. Воздействием ультразвуковых колебаний в течение (2÷3) минут частицы перемешивали с жидкостью в контейнере до равномерного распределения. После перемешивания поворотом подвижной оболочки 2 на 180 градусов контейнер открывали (Фиг. 1б). При этом сферическое облако частиц начинало осаждаться в кювете 7, заполненной жидкостью (Фиг. 2).

Визуализацию процесса гравитационного осаждения совокупности частиц в жидкости проводили с использованием съемки через прозрачные стенки 9 кюветы 7 двумя скоростными цифровыми видеокамерами 8 типа Citius С100 в двух ракурсах с темпом съемки (50÷200) кадров в секунду. Обработка видеорядов проводилась с использованием компьютера, на который поступала информация с видеокамер. 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. Для создания ультразвукового воздействия использовался генератор ультразвуковой УЗГМ-10-22МС. В экспериментах начальная объемная концентрация частиц варьировалась в диапазоне С₀=2.3⋅10^-5÷0.08 за счет изменения диаметра D и количества частиц N в диапазонах D=(0.2+l) мм, N=(30÷300). В экспериментах использовались стеклянные диаметром D=l.0 мм шарики. Режим осаждения совокупности частиц варьировался за счет изменения коэффициента динамической вязкости жидкости (водные растворы глицерина, глицерин) в диапазоне μ=(0.83÷1.34) Па⋅с и диаметра шариков. При этом диапазон изменения чисел Рейнольдса составлял Re=(10^-3÷1.0).

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

ЛИТЕРАТУРА

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

6. 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.

7. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Гл. ред. И.П. Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.

8. Архипов В.А., Усанина А.С. Движение частиц дисперсной фазы в несущей среде: Учебное пособие. - Томск: Издательский Дом Томского государственного университета, 2014. - 252 с.