Файл: Лукьянов, П. И. Аппараты с движущимся зернистым слоем. Теория и расчет.pdf

Однако, если рассматривать все поле деформаций, включая области очень малых перемещений, накапливающихся за дли­ тельное время, то выявляется клинообразная область J XE J 2 погружения веществ повышенной плотности и смежные с ней области вытеснения исходных веществ J\EE\C\J\ и J 2EE0O1B U 2. Область J XEJ 2 формируется в условиях конвективного и диффу­ зионного'массообмена со смежными зонами по всей их высоте и поэтому средняя плотность веществ в ней на каждом уровне незна­ чительно больше плотности окружающей среды. Выше поверх­ ности СоС'о поперечный размер периферийной области вытесне­ ния уменьшается при уменьшении глубины и у поверхности слоя (точка Сх) восходящий поток превращается в узкую струю ве­ ществ средней плотности. Они выходят на поверхность с относи­ тельно большой скоростью, как показано крайним правым уча­ стком кривой 1, характеризующей распределение вертикальных составляющих скоростей. Кривые 2, 3, 4 показывают распределе­ ние вертикальных компонент скорости на других уровнях.

Основная часть периферийного восходящего потока веществ средней плотности вблизи поверхности слоя преобразуется в го­ ризонтальный поток, движущийся к границе 0 2С. Этот поток, характеризующийся кривыми 5, 6, 7 распределения горизонталь­ ных составляющих скорости, имеет максимальную скорость на небольшом расстоянии от поверхности слоя. При удалении от границы 0СХ поток погружается, кривые распределения стано­ вятся пологими, точки максимума на них смещаются вниз. Одно­ временно сначала уменьшается, а затем вблизи точки М становится отрицательной величина АI перемещения веществ непосредственно' у поверхности слоя. Последнее объясняется тем, что в правую часть вторичной полости пониженного давления движутся веще­ ства из левой части этой полости, как показано кривыми распреде­ ления 8 и 9. Указанные потоки встречаются справа от границы 0 2С, образуя кулисообразный погружающийся поток, отдельные части которого надвигаются одна на другую преимущественно по по­ верхности, обозначенной линией а1а2а3аі. Эта линия является геометрическим местом точек перегиба на кривых распределения вертикальных составляющих скорости и, следовательно, обозна­ чает поверхность наиболее вероятных сдвигов одной части спут­ ного потока относительно другой.

Положение и форма линии ах— ах соответствуют опытным дан­ ным, характеризующим распределение зон прерывистых сдвиго­ вых деформаций справа от границы 0 2С. Линия ах—а4проходит вблизи точек максимума на кривых 6, 7, §„ характеризующих распределение горизонтальных составляющих скорости погру­ жающего потока веществ повышенной плотности. Соединяя точки максимума на других кривых распределения 9, 10,11, 12, получим продолжение кривой ах—а4до точки Е 0. В целом кривая а^— а^—

—а6— а8 характеризует перераспределение скоростей при движе­ нии погружающегося потока от боковой границы 0СХпервичного

' 141.

блока к его оси 0 0 г. При переходе от линии а4—аа к поверхности слоя 0 гВ і' скорость горизонтального перемещения среды к оси 00х сначала уменьшается до нуля у границы СоСо, затем становится отрицательной и возрастает до максимума (по модулю) у поверх­ ности слоя. Во всей области ЕоО\В'{ЕЕо происходит вытеснение веществ из глубинной зоны к поверхности слоя. Интенсивность восходящего потока исчезающе мала ниже границы СоСо, но зна­ чительно возрастает на уровне верхней части вторичной полости пониженного давления. Правая граница центральной области

жение этой границы определяется приведенными ниже данными расчета поперечного размера слоя легких веществ, находящихся выше поверхности гидростатического равновесия.

Вся центральная область вытеснения под поверхностью 0\В’{ представляет собой застойную зону, так как она находится на относительно большом расстоянии от интенсивно действующей правой части вторичной полости пониженного давления С02А 3С. Легкие вещества, выделяющиеся из восходящего потока в верхнем малоподвижном слое вследствие снижения давления, в основном задерживаются в нем, образуя промежуточный слой, и частично перетекают во вторичную зону стока по каналу относительно не­ большой высоты. Последний образуется на уровне Zi—z[, опре­ деляющем положение наиболее интенсивно действующей верхней части вторичной полости пониженного давления. В периферий­ ной зоне первичного блока верхняя граница этого канала нахо­ дится ближе к поверхности 0 1С1, так как восходящий поток ве­ ществ средней плотности преобразуется в горизонтальный поток на небольшой глубине или даже частично поступает на поверхность слоя из рифтовой части. При переходе к границе 0 2С расстояние до поверхности канала в периферийной зоне первичного блока возрастает в соответствии с погружением потока, как показано точками максимума аг и а 2на кривых 5 и 6. Нижняя граница ка­ нала в периферийной и центральной зонах первичного блока на­ ходится примерно на одинаковой глубине или даже ниже в первой зоне. Это объясняется тем, что из периферийной зоны во вторич­ ную полость пониженного давления поступает значительно больше веществ средней плотности, чем с противоположной стороны. Большая глубина поверхности канала в центральной зоне пер­ вичного блока обусловлена меньшей плотностью веществ, накап­ ливающихся в верхней части этой зоны и, как следствие, большей эффективной вязкостью деформируемой среды.

При относительном постоянстве положения границы 0 2С справа от нее интенсивно протекает стохастический процесс агрегатно-сдвиговых деформаций во вторичном блоке в условиях непрерывного поступления веществ средней плотности из глубин периферийной зоны и веществ пониженной плотности из верхнего слоя центральной зоны. Если в сырьевой смеси, поступающей

142

из периферийной зоны первичного блока, содержится, например, мало компонента А и много компонента В, то выход на поверх­ ность веществ, обогащенных компонентом Л, объясняется попа­ данием в область СЛ20 2С веществ поверхностного слоя из цен­ тральной зоны первичного блока. В поверхностном слое пери­ ферийной области первичного блока не обнаруживаются вещества с очень большим возрастом. Это объясняется отсутствием застой­ ной зоны в верхней части указанной области и интенсивной цирку­ ляцией веществ средней плотности в ней. Наоборот, в поверхно­ стном слое центральной области первичного блока, особенно под поверхностью OiCJ, возникает застойная («мертвая») зона.

Существование описанных конвекционных потоков возможно при непрерывном выделении энергии гравитационной дифферен­ циации исходных веществ средней плотности. Интенсивность этого процесса зависит от размеров опускающихся глобул. Для определения средней скорости погружения глобулы диаметром D Е. Н. Люстих рекомендует использовать формулу Стокса

где g — ускорение свободного падения; г) — вязкость среды сред­ ней плотности, в которую погружается глобула веществ повышен­ ной плотности; у х и у — соответственно плотность глобулы и ве­ щества окружающей среды средней плотности. Для среды с ко­ нечным пределом текучести применяют формулу (65), которая в рассматриваемом случае записывается в виде

где т 0— предел прочности среды на сдвиг по вертикальной ци­ линдрической поверхности эквивалентной высоты Я, определяе­ мой из равенства

nD3 ^ nDl

6 — 4

Связь между количествами веществ средней плотности, по­ ступающих во вторичную полость пониженного давления из пе­ риферийной зоны (V, у), легких веществ, выходящих на поверх­ ность слоя на участке М (и2, у2), и веществ повышенной плот­ ности погружающегося потока (ѵх, уа), выражается уравнением

Ѵу = УіУі + i>2y 2.

В этом уравнении по опытным данным известны значения у, у и ѵ2, у 2. Величина ѵг определяется произведением средней скорости погружающегося потока на площадь Si горизонтального сечения правой части зоны стока:

143

С помощью приведенных соотношений определяется прибли­ женное значение ѵ и затем при известном распределении гори­ зонтальных составляющих скорости потока веществ средней плот­ ности оценивается скорость перемещения поверхностного слоя из периферийной зоны первичного блока в направлении границы 0 2С. Расчет профиля скоростей движения веществ в любом сечении первичного блока производят после решения соответствующей гидродинамической задачи. При деформации рассматриваемой среды наблюдаются прерывистые сдвиги агрегатов частиц, вы­ зывающие неупорядоченные колебания давления, частота и ампли­ туда которых изменяются случайным образом. Использу стати­ стические средние значения напряжений, входящих в уравнения (38) и (39), можно определить форму активной зоны и объяснить зависимость энергии сдвигов от ее размеров.

Сводовые структуры вторичных блоков деформируются как системы периодически образующихся агрегатов, ограниченных поверхностями одинаковых главных напряжений. Одновременно с увеличением горизонтальных напряжений в распорной части сводовой структуры уменьшаются напряжения в зоне стока. После того как разность этих напряжений во всех точках большой области достигает критического значения, происходит прерывистый сдвиг осной части блока относительно другой.

Сводовый характер поля напряжений снаружи полости по­ ниженного давления обусловливает почти одновременное высвооиждение значительной части упругих деформаций, накопленных за некоторый период времени. При этом происходит разуплотне­ ние слоя, особенно в зонах наибольших градиентов деформаций. В зоне стока также возникают сводовые структуры, однако на­ капливаемая в них энергия упругих деформаций значительно меньше, чем в основной сводовой структуре. Прерывистые сдвиги в этой пойости регистрируются как колебания относительно небольшой интенсивности.

При объяснении механизма сдвигов рассматриваются различ­ ные силовые модели активной зоны, особенно диполь с моментом и двойной диполь без момента. Однако известны данные, согласно которым никакая силовая модель типа простого разрыва не может удовлетворить наблюдаемой картине первых движений. Эта кар­ тина в некоторых случаях настолько сложна, что для ее объясне­ ния высказывается предположение о перемещении масс в активной зоне под действием несимметрично распределенной четырехпо­ люсной силы.

При деформации среды в условиях активного бокового давле­ ния характер и интенсивность сдвигов определяются суммарным действием напряжений внутреннего и внешнего полей, относитель­ ная роль которых изменяется по мере развития процесса. На пер­ вой стадии в большей степени проявляется действие напряжений внешнего поля. Затем происходит перестройка полей напряже­ ний, что проявляется в изменении пространственного распреде-

Н4

ления сжатий и растяжений в начальных движениях. После неко­ торого периода времени действие напряжений внешнего поля восстанавливается.

При разработке схемы конвекции веществ было принято, что в начальный период процесса гравитационной дифференциации более интенсивное погружение веществ повышенной плотности происходит вблизи оси 0 0 г. Это приводит к образованию пер­ вичного блока с центральной (0 0 гС0) и периферийной (ОССфО) зонами, размеры которых определяются углами а г и сс3. Однако рассмотрение соответствующей схемы образования вторичной полости пониженного давления приводит к выходу, что вещества повышенной плотности погружаются преимущественно у границы ОС или даже несколько правее. Вблизи же оси 0 0 х существует не погружающийся, а восходящий поток. Это кажущееся противо­ речие указывает на возможность объяснения циклических про­ цессов, сопровождающихся опусканием и поднятием слоя легких веществ в определенных областях центральной зоны. Если в пер­ вичном блоке значительно смещается ось симметрии погружающе­ гося потока веществ повышенной плотности, то это приводит к образованию другой вторичной полости пониженного давления, положение которой определяется описанным выше способом. Например, если считать границу 0 2С новой осью симметрии погружающегося потока веществ повышенной плотности, то осью новой вторичной полости пониженного давления является пря­ мая линия, проведенная под углом ос3к главной оси.

Очевидно, что новой осью вторичного блока в центральной зоне является линия 0 0 ъ т. е. старая ось первичного блока. Вблизи этой оси, в соответствии с рассмотренным механизмом деформа­ ций, происходит дополнительное опускание среды в направлении полюса О и, следовательно, возникает вторичная сводовая струк­ тура, под которой образуется вторичная полость пониженного давления. В центральной зоне ранее сформировавшегося пер­ вичного блока условия для интенсивного развития такой полости менее благоприятны вследствие отдаленности ранее образовав­ шейся периферийной зоны, в которой находится менее дифферен­ цированное в предшествующий период вещество средней плот­ ности. Активная начальная стадия функционирования централь­ ной вторичной полости проявляется в опускании поверхностного слоя легких веществ, аналогичном опусканию среды вблизи участка, отмеченного точкой М э на рис. 83. Это является причи­ ной возникновения упомянутой вторичной распорной сводовой структуры над местом опускания. Так как действие периферийной вторичной полости пониженного давления полностью не исчезает, то в первичном блоке некоторый период времени одновременно существуют две вторичные распорные сводовые структуры. Одна из них (периферийная) уменьшается в размерах и при этом сни­ жается интенсивность ее действия; другая (центральная) увели­ чивается в размерах, что приводит к непрерывному возрастанию