Спосіб дослідження осадження сферичної хмари твердих частинок у рідині
Власники патенту UA 2620761:
Винахід відноситься до галузі розробки способів та установок для лабораторних досліджень фізичних процесів, зокрема для дослідження закономірностей руху сукупності твердих частинок в рідкому середовищі при їхньому гравітаційному осадженні.
Процес руху сукупності частинок у полі сили тяжіння має важливе практичне значення в задачах екології (очищення водойм від домішок), у вугільній промисловості (гідропригнічення пилу у вугільних шахтах), при ліквідації наслідків катастрофічних явищ техногенного або природного характеру (виверження вулканів, промислові .п.), в теплоенергетиці (спалювання розпилених палив), у процесах хімічної технології (осаджувальні колони) та в цілому ряді інших галузей техніки та технології [1].
Відомо, що характер руху сукупності твердих частинок при гравітаційному осадженні в рідкому або газоподібному середовищі суттєво залежить від їхньої початкової концентрації та форми хмари частинок [2]. Теоретичний аналіз завдання не дозволяє однозначно визначити динаміку зміни форми, коефіцієнта опору та, отже, швидкості осадження сукупності частинок [3]. Для отримання достовірних залежностей використовують, як правило, результати експериментальних досліджень.
Відомі способи дослідження закономірностей гравітаційного осадження сукупності твердих частинок, що ґрунтуються на введенні частинок у рідину та їх візуалізацію при русі [4-6]. Ці способи відрізняються механізмом введення в рідину сукупності твердих частинок.
Відомий механічний спосіб введення сукупності частинок, заснований на використанні касети та двох пластин, у яких на рівних відстанях просвердлено однакову кількість отворів [4]. Пластини кріпляться докасеті таким чином, що при русі однієї з пластин за допомогою соленоїдів і суміщенні отворів обох пластин відбувається скидання частинок з вертикальною регульованою відстанню між частинками.
Відомий вакуумний спосіб, згідно з яким введення сукупності частинок здійснюють за допомогою чотирикутної коробки з просвердленими отворами [4]. Ці отвори заповнюють частинками та з коробки відкачують повітря. Скидання частинок здійснюють після занурення коробки в рідину впуском повітря. Даний спосіб не дозволяє отримати сукупність частинок з початковою нульовою швидкістю за рахунок прискорення частинок, створюваного при впуску повітря в коробку.
Відомий спосіб, що полягає у введенні в кювету змочених робочою рідиною частинок за допомогою шприца, поршень якого переміщують за допомогою крокового двигуна [5]. Спроби використання даного способу показали, що він не забезпечує отримання сукупності частинок із заданою початковою концентрацією та з нульовою початковою швидкістю.
Найбільш близьким за технічною сутністю є спосіб, згідно з яким сукупність частинок вводиться в рідину при поєднанні отвору в циліндричному контейнері, наповненому частинками, і отвори в заслінці, що ковзає вздовж дна контейнера [6]. Зазначений спосіб не дозволяє отримати сферичну хмару рівномірно розподілених частинок.
При комплексному експериментально-теоретичному дослідженні закономірностей осадження хмари із сукупності частинок принципово важливим є забезпечення строго контрольованих початкових параметрів (початкова концентрація частинок, близька до сферичної початкової форми хмари, нульова початкова швидкість).
Технічним результатом цього винаходу є розробка способу дослідження процесугравітаційного осадження сукупності твердих частинок, що забезпечує підвищення точності визначення основних характеристик та динаміки осадження сукупності частинок за рахунок створення вихідної сферичної хмари із заданою рівномірною концентрацією частинок та з нульовою початковою швидкістю осадження.
Технічний результат винаходу досягається тим, що розроблений спосіб дослідження осадження сферичного хмари твердих частинок рідини, що включає введення частинок в кювету з рідиною, виконану з прозорого матеріалу, і візуалізацію процесу осадження частинок. Частинки попередньо вводять у сферичний контейнер, виконаний у вигляді двох вкладених один в одного напівсферичних перфорованих оболонок з можливістю його відкриття при обертанні однієї з оболонок навколо осі симетрії, контейнер із спрямованою вниз рухомою оболонкою поміщають у кювету з рідиною, перемішують частинки з рідиною в контейнері шляхом впливу ультразвукових коливань, що генеруються п'єзоелектричними перетворювачами у вигляді поляризованих по товщині порожнистих п'єзокерамічних напівсфер, закріплених на внутрішніх стінках контейнера через звукопоглинаючі прокладки, протягом не менше (2÷3) хвилин, відкривають контейнер поворотом рухомої оболонки на 180 градусів з можливістю у кювету з рідиною, при цьому час відкриття контейнера вибирають відповідно до нерівності
а початкову концентрацію частинок у хмарі визначають за формулою
де - час відкриття контейнера, с; С0 – об'ємна концентрація частинок; ρ - щільність рідини, кг/м 3; μ - коефіцієнт динамічної в'язкості рідини, Па⋅с; ρp - густина матеріалу частинок, кг/м 3 ; R – радіус контейнера, м; D – діаметр частинки, м; g - прискорення вільного падіння, м/с 2; М -сумарна маса сукупності частинок, кг.
Отриманий позитивний ефект винаходу пов'язаний з такими факторами:
1. Початкова форма хмари із сукупності частинок залежить від форми контейнера, в якому створюється хмара. Використання сферичного контейнера забезпечує отримання початкової хмари сферичної форми (Фіг. 1).
2. Для створення системи рівномірно розподілених у рідині частинок використовують контейнер із перфорованими оболонками; через перфорації в оболонках рідина надходить усередину контейнера при його приміщенні в кювету з рідиною.
3. Обертання однієї напівсферичної оболонки контейнера навколо осі симетрії забезпечує відкриття контейнера та введення хмари частинок у рідину з нульовою початковою швидкістю.
4. Для формування рівномірно розподілених частинок рідини необхідно перемішати сформовану систему. Використання ультразвукового впливу сприяє швидкому перемішування рідини і твердих частинок, що стикаються з нею [7]. Під дією ультразвуку розмиваються прикордонні шари між рідиною та твердими частинками. Використання звукопоглинаючих прокладок, розташованих на внутрішніх стінках контейнера, запобігає впливу ультразвуку на рідину в кюветі.
5. Час відкриття контейнера вибирають із умови мінімальної деформації хмари в період відкриття. Відстань, пройдена часткою за час τ, становить
де u – швидкість осадження частки.
Цю умову сформулюємо у вигляді нерівності
де Δl - усунення нижньої межі хмари за рахунок гравітаційного осадження частинок.
Умова (2) означає, що зсув кордону хмари Δl не перевищує 1% від його радіусу R.
Стаціонарна швидкість осадження одиночної частки у Стоксівському режимі дорівнює [8]
Підставляючи вираз (3) (2), (3), отримаємо умову для визначення часу відкриття контейнера
6. Сумарний обсяг частинок у контейнері визначають за формулою
Об'єм сферичного контейнера дорівнює
З урахуванням (4), (5) початкове значення об'ємної концентрації частинок у сферичній хмарі визначається формулою
Після найпростіших перетворень алгебри формула (6) прийме
Приклад реалізації способу
Сутність винаходу пояснюється схемою, наведеною на Фіг. 1. У контейнер, що складається з нерухомої 1 і рухомий 2 сферичних оболонок, вводили навішування твердих сферичних монодисперсних частинок 3. Рухлива оболонка 2 жорстко пов'язана з віссю 4, яка може обертатися в підшипниках 5. Обертанням оболонки 2 контейнер закривали (Фіг. поміщали у кювету з рідиною. Через перфорації рідина 6 заповнювала контейнер. Вплив ультразвукових коливань протягом (2÷3) хвилин частинки перемішували з рідиною в контейнері до рівномірного розподілу. Після перемішування поворотом рухомої оболонки 2 на 180 градусів контейнер відчиняли (Фіг. 1б). При цьому сферична хмара частинок починала осідати в кюветі 7, заповненої рідиною (Фіг. 2).
Ефективність заявляється способу підтверджена проведенням серії експериментів щодо дослідження впливу початкової концентрації на характер гравітаційного осадження та коефіцієнт опору сукупності частинок при малих числах Рейнольдса. Для створення ультразвукового впливу використовувався ультразвуковий генератор УЗГМ-10-22МС. В експериментах початкова об'ємна концентрація частинок варіювалася в діапазоні С0=2.3⋅10 -5 ÷0.08 за рахунок зміни діаметра D та кількості частинок N у діапазонах D=(0.2+l) мм, N=(30÷300). В експериментах використовувалися скляні діаметром D=l.0мм кульки. Режим осадження сукупності частинок варіювався за рахунок зміни коефіцієнта динамічної в'язкості рідини (водні розчини гліцерину, гліцерин) у діапазоні μ=(0.83÷1.34) Па⋅с та діаметра кульок. У цьому діапазон зміни чисел Рейнольдса становив Re=(10 -3 ÷1.0).
Таким чином, з наведеного прикладу випливає, що пропонований спосіб забезпечує досягнення технічного результату винаходу - підвищення точності визначення основних характеристик і динаміки осадження сукупності частинок за рахунок створення вихідної сферичної хмари із заданою рівномірною концентрацією частинок і з початковою нульовою швидкістю осадження.
1. Романков П.Г., Курочкіна М.І. Гідромеханічні процеси хімічної технології. – Л.: Хімія, 1982. – 288 с.
2. Coy С. Гідродинаміка багатофазних систем. - М: Мир, 1971. - 536 с.
3. Броунштейн Б.І., Фішбейн Г.А. Гідродинаміка, масо- та теплообмін у дисперсних системах. – Л.: Хімія, 1977. – 279 с.
4. Хоргуані В.Г. Про характер і швидкість падіння системи частинок однакових розмірів // Фізика атмосфери та океану. – 1966. – Т. 2. – №4. – С. 394-401.
5. Metzger Ст., 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. Невелика енциклопедія. Гол. ред. І.П. Голямін. - М: Радянська енциклопедія, 1979. - 400 с.
8. Архіпов В.А., Усаніна А.С. Рух частинок дисперсної фази в середовищі: Навчальний посібник. – Томськ: Видавничий Дім Томського державного університету, 2014. – 252 с.
Спосібдослідження осадження сферичної хмари твердих частинок рідини, що включає введення частинок в кювету з рідиною, виконану з прозорого матеріалу, і візуалізацію процесу осадження частинок, який відрізняється тим, що частинки попередньо вводять у сферичний контейнер, виконаний у вигляді двох вкладених один в одного перфорованих перфорованих оболонок з можливістю його відкриття при обертанні однієї з оболонок навколо осі симетрії, контейнер з спрямованою вниз рухомою оболонкою поміщають в кювету з рідиною, перемішують частинки з рідиною в контейнері шляхом впливу ультразвукових коливань, що генеруються п'єзоелектричними перетворювачами у вигляді поляризованих по товщині порожнистих внутрішніх стінках контейнера через звукопоглинаючі прокладки протягом не менше (2÷3) хвилин відкривають контейнер поворотом рухомої оболонки на 180 градусів з можливістю введення сферичної хмари частинок в кювету з рідиною, при цьому час відкриття контейнера вибирають відповідно до нерівності
а початкову концентрацію частинок у хмарі визначають за формулою
де - час відкриття контейнера, с; С0 – об'ємна концентрація частинок; ρ - щільність рідини, кг/м 3; μ - коефіцієнт динамічної в'язкості рідини, Па⋅с; ρр - густина матеріалу частинок, кг/м 3 ; R – радіус контейнера, м; D – діаметр частинки, м; g - прискорення вільного падіння, м/с 2; М – сумарна маса сукупності частинок, кг.