Файл: Лобанов, Д. П. Гидромеханизация геологоразведочных и горных работ учеб. пособие.pdf

сей — квадратичной связью сопротивлений и скорости (турбулент­ ная область), для суспензии — сопротивлением от вязкости (тем большим, чем меньше частица) и турбулентности (тем большей, чем крупнее частица). Очевидно, что для гидросмесей полидисперсных гидродинамическое воздействие жидкости па твердые частицы может характеризоваться одновременно, всеми указанными особен­ ностями.

С гидродинамической точки зрения отличительная особенность

ствие малых размеров частиц и большого количества их в потоке активная роль в движении принадлежит твердому компоненту. В этом случае соприкасающиеся твердые частицы передают друг другу движение и давление, а жидкость, заключенная внутри определенной пространственной структуры твердого компонента, пе­ реносится вместе с твердыми частицами. Причем внутренние дви­ жения определяются перемещениями, подобными деформациям твер­ дого тела.

В то же время в таких гидросмесях или гидросмесях с более крупными частицами, но со сравнительно невысокими насыщениями потока (обычно до 25—35%) активная роль в переносе твердого компонента принадлежит жидкости. Особенностью перемещения таких потоков является то, что все основные внутренние движения носят гидродинамический характер и обусловливаются скоростями, вихрями и давлениями внутри жидкости и иа поверхностях сопри­

зуют: частицы угля (ys = 13,0—17,0 кН/м3) крупностью 0—0,25 мм при наличии в основном класса 0,05—0,15 мм и содержании частиц

0,25—0,5 мм не более 30%; горные породы (ys = 25,0—27,0кН /м3)

при крупности частиц 0—0,15 мм и содержании класса 0,15—0,35 мм не более 30%; тяжелые руды и концентраты (ys = 39,0—45,0 кН/м3), основная фракция которых представлена частицами внутри фрак­ ции 0—0,1 мм, а содержание частиц крупностью 0,1—0,25 мм не превышает 25%.

Тоикодисперсные гидросмеси перемещаются турбулентными гори­ зонтальными потоками при объемной концентрации твердых частиц

вгидросмеси до 0,5. Характерная особенность таких смесей состоит

втом, что при скорости транспортирования и > 1 ,5 икр твердая компонента примерно равномерно распределяется по сечению потока,

игидросмесь приобретает свойства фиктивной однородной жидкости повышенной плотности. Под граничной (критической) скоростью гидросмеси икр в горизонтальной трубе понимается такая минималь­ ная скорость, при которой еще не происходит отложения твердых частиц на нижней стенке и исключается возможность переходных (к структурным смесям) форм течения гидросмеси.

31

Г р у б о д и с п е р с н ы е г и д р о с м е с и в смеси с водой образуют: частицы угля крупностью 0,25—2,5 (3) мм; пустые горные

образуют частицы и куски угля крупностью более 2,5—3,0 мм, горные породы и различные руды круппостыо более 1,5—2,0 мм. Эти гидросмеси, как и грубодисперспые, перемещаются с меньшей

в пристеночной области (у ложа) потока. Преобладающей формой

с водой разнофракционные горные породы. Характерной особен­ ностью движения таких гидросмесей в горизонтальных турбулентпых потоках является перемещение частиц менее 0,1—0,25 мм во взве­ шенном состоянии, частиц до 1,5—3 мм прерывным взвешиванием па всю толщу потока, а кусков более 1,5—3 мм в пристеночной области прерывным взвешиванием или волочением (перекатыванием) по нижней стенке трубы. С точки зрения взаимного влияния отдель­ ных фракций на движение существенным оказывается влияние тонкодисперсных частиц.

Следует учитывать, что тонкодисперсные гидросмеси могут быть с т а б и л ь н ы м и и н е с т а б и л ь н ы м и по условиям их расслаивания в неподвижном состоянии (этим свойством в общем случае они обладают и в потоке) в зависимости от содержания в них тонких классов и концентрации смеси.

Свойства стабильности проявляются в связи с тем, что гидро­ смеси с содержанием тонких фракций углей или пород в значитель­ ном количестве могут существенно изменять свои физико-механи­ ческие свойства. Такое влияние на свойства, например, угольных гидросмесей оказывают частицы угля менее 0,070 мм. Как показы­ вают опыты, для придания гидросмеси хорошей стабильности коли­ чество угля класса 0—0,070 мм (в основном меньше 0,05 мм) должно составлять около 25—35% по весу к общему количеству угля. Эта величина зависит от распределения по крупности остальных классов

чают мгновенную и среднюю концентрацию в некотором выделенном объеме потока. Для практических расчетов важно располагать величиной концентрации твердых частиц, осредненной по попереч­ ному сечению потока за большой промежуток времени; средняя

32

где у — удельный вес данного вида гидросмеси.

На практике часто пользуются и весовой концентрацией, опре­

Изучение движения твердых частиц в гидросмесях методически правильно начать с рассмотрения простейшего случая движения в потоке жидкости одиночных твердых частиц.

При движении как одиночных, так и множества твердых частиц в потоке возникают гидродинамические сопротивления, вызванные обтеканием твердых тел. Эти сопротивления — результат влияния прежде всего вязкости жидкости. Причем в общем случае действие вязкости может вызвать три различных вида сопротивления: 1) де­ формации жидкой среды (при малых Re = ucl/v); 2) поверхностное сопротивление (при средних значениях числа Re, когда учитывается фактор деформации в слое жидкости, окружающем тело); 3) сопро­ тивление формы (при больших Re и возникновении отрыва течения). В рассматриваемом случае взяты числа Re, определяемые по диа­ метру частицы, а не потока, как прежде.

Природа сопротивления движению тел определяется в первую очередь образованием поверхностей раздела т. е. отрывом потока на поверхности частиц. Этот отрыв начинается на неровностях поверхности тел неправильной формы.. Для таких тел коэффициент

положение места отрыва зависит от шероховатости, асимметричного расположения тела и др.

Гидродинамическое воздействие потока на обтекаемое тело выра­

определение суммарного воздействия этих сил на частицу. Обычное использование размерностного анализа для выражения сопроти­ вления тела, перемещающегося относительно потока жидкости,

для покоящейся частицы диаметром d равна средней предельной скорости, взятой по миделеву (обращенному к набегающему потоку) сечению частицы.

Для гидросмесей, как это отмечалось, характерен большой интервал крупности частиц. При переходе от нижнего предела

крупности к верхнему, как показывают многочисленные измерения, в соответствии с (И .5) имеет место изменение закона сопротивления жидкости движению частиц.

Из уравнения (II.5) следует, что с уменьшением размера частиц, а значит и средней продольной скорости в потоке, первое слагаемое правой части становится значительно большим по сравнению со вторым. В свою очередь, увеличенным размерам частиц соответ­ ствуют и большие продольные скорости в потоке. Поэтому для круп­ ных частиц первое слагаемое становится очень малым. Для очень мелких частиц с d < 1 0 -5 мм уравнение (II.5) неприемлемо. Одиако частицы такой крупности находятся вне пределов интересующих нас размеров. В интервале d = 10~5 — 10"3 мм происходит посте­ пенный переход к условиям, когда сопротивление остается пропор­ циональным и, но появляется линейная зависимость от d. Это соот­ ветствует малым (взятым по диаметру частицы) числам Рейнольдса О < R e < 0 ,2 , т. е. в диапазоне ламинарного обтекания тела (пер­ вый вид сопротивления). Пренебрегая вторым слагаемым в выра­

душной или газовой среде, склонны прилипать к твердой поверх­ ности вследствие молекулярных сил взаимодействия, капиллярных сил жидкости, а также под действием кулоновских и других сил (называемых с и л а м и а д г е з и и ) . Силы адгезии, возникающие при взаимодействии диспергированных частиц с поверхностями или друг с другом, зависят от физико-механических свойств поверх­ ностей и окружающей среды.

При дальнейшем увеличении диаметра частицы наступает откло­ нение от закона Стокса, который с достаточной точностью выпол­ няется в пределах 2-10"‘ мм < 2 < 1 0 -1 мм. Уже при Re = 0,5 вследствие возрастающего влияния инерционных сил вычисленные по формуле (II.6) коэффициенты сопротивления среды дают откло­ нения от истинных около 5%.

При больших числах Re > 2 0 0 —400, характеризующих тур­ булентное обтекание (третий вид сопротивления), опустив в уравне­ нии (И .5) первое слагаемое, получим выражение для квадратичного закона сопротивления. В переходной области при 0,5 < R e < 2 0 проявляются сопротивления от вязкости и турбулентности (второй вид сопротивления).

В общем виде закон сопротивления, выраженный через коэф­ фициент ф, с учетом сил трения и сил инерции можно представить

34