ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ НА ТУРБУЛЕНТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТОКА
В большинстве теоретических решений проблем, возникающих при изучении взвесе- несущих потоков, делались допущения, что твердые частицы не влияют на характеристики потока, концентрация твердых частиц в жидкости незначительная и что частицы не влияют ни на закон распределения скоростей, ни на пульсационные и другие характеристики турбулентного потока. Исследования в области гидротранспорта показали, что пренебрегать влиянием твердых частиц на характеристики турбулентного потока нельзя и только правильный учет взаимодействия твердой и жидкой составляющих потока гидросмеси позволит верно разрешить практические задачи гидравлического транспортирования различных материалов, например определение критических скоростей и потерь напора при гидротранспорте.
Турбулентный поток однородной жидкости характеризуется наличием пульсации скоростей и давлений во всех точках, взятых внутри и в некотором смысле слова возле границы потока 1. Интенсивность этих пульсаций определяется значением числа Рейнольдса как критерия турбулентности потока, а также формой твердых границ потока и их шероховатостью.
К основным характеристикам турбулентного потока следует отнести поля осреднен- ных (во времени) и мгновенных значений локальных скоростей и определяющие пульсационные характеристики скоростей и давлений микро- и макроструктурные турбулентные образования.
Введение твердых частиц в поток однородной жидкости оказывает влияние на характеристики потока. Введение инертных частиц в поток жидкости, плотность которых больше чем плотность жидкости, вызывает асимметрию в распределении скоростей по сечению потока. При постепенной нагрузке потока твердыми частицами амплитуды пульсаций уменьшаются: крупномасштабные турбулентные образования в турбулентных потоках однородной жидкости в виде вальцов (вихрей) различной величины распадаются (разрушаются) на более мелкие, в результате чего частотный спектр турбулентных пульсаций смещается в сторону высоких частот.
Отставание твердых частиц от жидкости создает поле относительных скоростей в потоке гидросмеси, причем относительная скорость также имеет пульсационный характер и может быть представлена в виде суммы ее осредненного (во времени) значения и пуль- сационной добавки. Для турбулентного потока однородной жидкости характерно наличие так называемого турбулентного перемешивания, когда конечные массы жидкости переносятся из слоя в слой, обмениваясь при этом количествами движения.
Твердые частицы, попадая в такие конечные массы жидкости (названные О. Рейнольдсом молями), участвуют в турбулентном перемешивании, но, имея большую плотность,
Непосредственно на твердой границе флуктуация вертикальной составляющей скорости равна нулю.
Участвуя в турбулентном перемешивании, твердые частицы воспроизводят пульсационные движения окружающей жидкости, но, обладая большой массой, а следовательно, и инертностью, движения твердых частиц более сглажены, чем жидких. Их инертность и локальное отставание от жидкости тормозят движение жидких масс и сглаживают пульсации жидкости.
Как указывалось, явление отставания твердых частиц от жидкости определяет до некоторой степени различие между расходной и действительной плотностью гидросмеси; основным же фактором, определяющим это различие, являются малые скорости в придонных, перенасыщенных твердой фракцией слоях гидросмеси, малая консистенция вышележащих слоев, имеющих большую скорость, и почти полное отсутствие твердых частиц в самых верхних слоях потока.
Большую роль в изучении рассматриваемого вопроса сыграли исследования В. Ванони, который посвятил свои исследования вопросам распределения скоростей и консистенции по сечению взвесенесущего потока, оценке коэффициента турбулентного переноса взвешенных наносов ss, коэффициентов турбулентного переноса количества движения ет и определению коэффициента сопротивления взве сенесущих потоков. Все эти вопросы решались с учетом влияния твердых частиц.
В. Ванони установил, что во взвесенесу- щем потоке закон распределения скоростей хорошо представляется логарифмической кривой и только вблизи дна наблюдалось систематическое отклонение в сторону завышенных значений градиента скорости. Увеличение градиента скорости в насыщенной твердыми частицами части потока Ванони объясняет тем, что в этих перенасыщенных нижних слоях Потока происходит значительное затухание турбулентности, в результате чего уменьшается коэффициент обмена ет, а для создания напряжения, соответствующего данным условиям гидротранспорта, градиент скорости должен быть значительным.
Графики распределения скоростей были представлены в логарифмической анаморфозе в виде прямых линий с разным наклоном к горизонтальной оси.
Следует отметить, что увеличение средней скорости потока при внесении в него твердых частиц нельзя рассматривать как незыблемый факт. В зависимости от количества и свойств твердых частиц, а также от характеристики самого потока скорость может уменьшиться (т. е. сопротивление увеличится) или остаться неизменной. Кроме сглаживания турбулентности наличие мелких твердых частиц способствует уменьшению шероховатости стенок потока, особенно при транспортировании смесей, имеющих глинистые частицы. В то же время осевшие на дно или влекомые по дну крупные частицы способны значительно увеличить потери напора, особенно когда твердая фракция перемещается по дну потока в виде дюн и волн (ряби) из твердого транспортируемого материала.
Гидравлическая крупность IE определялась как скорость опускания центра группы частиц.