Файл: Реология в процессах и аппаратах химической технологии [сборник статей]..pdf

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР

РЕО Л О ГИ Я

ВПРОЦЕССАХ И АППАРАТАХ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ТРУДЫ ВОЛГОГРАДСКОГО ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА

ВОЛГОГРАД 1974

Э К З Е М П Л Я Р

ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА |

# г - / 3£ 8/

(6) Политехнический институт, 1974.

БАЛАШОВ В. А., ТРУСОВ С. А., ШИБИТОВ Н. С.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ИСТЕЧЕНИЮ ВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

В связи с изучением процессов эмульгирования, впрыска горючего в двигателях внутреннего сгорания, истечения жид­ костей из резервуаров необходимо знать поведение струй раз­ личных жидкостей, механизм их распада.

Так как одной из основных характеристик процесса распа­ да струй является длина ее сплошной части, то в данной рабо­ те основное внимание уделялось измерению этой длины и вли­ янию различных факторов на длину сплошной части струи.

Поведение и механизм распада струй невязкой, вязкой и неньютоновских жидкостей будут различными. Механизм распада струй невязкой жидкости изучался многими исследо­ вателями, а данных о распаде струй неньютоновских жидко­ стей под действием сил тяжести еще нет, поэтому исследова­ ние проблемы разрыва струй суспензий на полимерной основе является обоснованным. У полимерных материалов, обладаю­ щих длинными волокнами, поверхностные силы, которые спо­ собствуют распаду струй, невелики.

Среды, не обладающие волокнистой структурой, легко распадаются на сферические капли, так как под действием поверхностных сил жидкости стремятся образовать наимень­ шую поверхность, то есть сферу.

Механизм распада невязких жидкостей был рассмотрен

Релеем [1].

Вдоль струи образуются волны, которые под действием поверхностного натяжения развиваются до тех пор, пока струя не распадется на капли.

Теорию разрыва струй расширил Вебер, который решил уравнение Навье-Стокса для вязкой жидкости для струи, вы­ текающей с постоянной скоростью при отсутствии массовых сил. Им было показано, что вязкость способствует стабилиза­ ции струй [2].

Если обозначить через U0 скорость истечения струи и че­ рез Тр — время до распада струи, то непрерывная длина струи

3

было получено Левичем для случая истечения вязкой жидкости [4]. Он считал, что струя невесомая, скорость истечения по­ стоянна и мала, на струю действуют малые возмущения.

Было получено выражение для определения осевой скоро­ сти и радиуса струи. При сравнении длин нераспавшихся струй вязкоупругих и ньютоновских жидкостей, имеющих одни и те же числа Вебера и Рейнольдса, Миддлман пришел к выводу, что длина нераспавшейся части струй вязкоупругой жидкости может быть больше, равна или меньше струи ньютоновской жидкости [3]. Ленчуком были проведены эксперименты по истечению вязких жидкостей и жидкостей, подчиняющихся степенному закону, через круглые отверстия диаметром 0,251,

0,338, 0,478 и 0,640 см [5].

Сравнивались длины для горизонтальных и вертикальных струй, длина горизонтальных струй больше длины вертикаль­ ных струй (нераспавшихся струй). Определялось время до разрыва струй по уравнениям, предложенным разными авто­ рами. Для экспериментального изучения поведения струй сус­ пензий на полимерной основе была изготовлена установка. Истечение струй происходило из резервуара, который крепит­ ся кронштейнами к вертикальной стойке, что позволяло менять высоту крепления резервуара. Для облегчения переме­ щения резервуара использовался противовес.

Резервуар емкостью 10 л снабжен обогреваемой водяной рубашкой, что позволяло проводить эксперименты при вы­ бранной температуре и поддерживать эту температуру посто­

янной.

Истечение смеси происходило через цилиндрические отвер­ стия диаметром 4,5; 6; 8 и 10 мм, выполненные в сменных стальных насадках, закрепляемых в центре днища резервуара.

Избыточное давление в резервуаре создавалось сжатым воздухом, который поступал из ресивера объемом 3 м3, что позволяло проводить эксперименты при постоянном давлении.

Смесь представляла собой суспензию на полимерной осно­ ве вязкостью 450 и-сек/м2 и отвечала модели вязкопластиче­ ской среды. Реологические характеристики снимались на ро­ тационном вискозиметре РВ-7.

Длина струи измерялась с помощью линейки, которая уста­ навливалась так, что была параллельна оси струи и находи­ лась от нее на расстоянии 2—3 мм.

Процесс истечения фиксировался с помощью кинокамеры. Метод киносъемок позволил не только определять общую длину струи, длину ее нераспавшейся и оторвавшейся части,

4

но подсчитать скорость и ускорение движения конца струи. Под общей длиной струи подразумевается расстояние от от­ верстия в насадке до конца струи, под длиной нераспавшейся части струи — расстояние от отверстия в насадке до места разрыва струи.

На рис. 1 представлены экспериментальные результаты по истечению вязкопластической среды через короткий цилиндри­

ческий насадок с отверстием 4,5 мм при разных перепадах давления или, что то же самое, при разных начальных скоро­ стях движения струи.

По представленной на рис. 1 зависимости 1= f (t) можно достаточно точно представить поведение струи от начала про­

время до разрыва струи уменьшается, а общая длина струи возрастает. Уменьшение времени до разрыва струи можно объяснить, рассмотрев поведение струи вязкопластической среды, процесс распада которой будет отличным от механизма распада невязких струй, рассмотренных еще Релеем. Капель жидкости, ввиду малости поверхностных сил, при распаде струи не образовывалось, а струя распадалась на обрывки.

В начальный период истечения зависимость l = f(t) будет

5

порядок больше, чем при малых перепадах давления, общая длина струи возрастает.

На рис. 2 представлена зависимость общей длины струи до момента разрыва от начальной скорости течения (перепа­ да давления). До некоторого предела с увеличением началь­ ной скорости длина струи растет, но при дальнейшем увели­ чении начальной скорости истечения длина струи практически не увеличивается.

На рис. 3 показано влияние диаметра отверстия на длину струи. Истечение может происходить через насадки разной длины.

Длина насадки влияет на величину начальной скорости движения струи, так как происходит потеря давления по дли­ не насадка, а с изменением начальной скорости изменяется и длина струи. Для получения определенной длины струи для данного диаметра отверстия, кроме потерь давления на трение в насадке, необходимо знать потери давления на входовые эффекты и на трансформацию скорости.

При течении вязкопластической среды вязкостью порядка 450 нсек/м2 критерий Рейнольдса очень мал R e« 10_3, поэтому

7

БАЛАШОВ В. А., КОНДАКОВА Л. А.

К ВОПРОСУ О МЕТОДИКЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЛЬТРАЦИИ вязких ж и д к о с т е й

ЧЕРЕЗ ЗЕРНИСТЫЙ СЛОЙ

Движение жидкостей и газов через заполняющую аппарат насадку сопровождается рядом эффектов, которые могут быть причиной расхождения опытных данных при эксперименталь­ ном изучении фильтрации. Устранение влияния этих эффек­ тов является одной из главных задач при постановке опытов по изучению течения жидкостей или газов в пористых средах.

В настоящей работе рассматриваются некоторые вопросы методики экспериментальных исследований по фильтрации жидкости через зернистый слой.

Известно, что градиент давления при фильтрации ненью­ тоновских жидкостей через зернистый слой определяется по формуле

н2 }

где АР — гидравлическое сопротивление слоя, Н — высота слоя,

а— удельная поверхность,

е— пористость,

р— плотность фильтрующейся жидкости, Уф — скорость фильтрации,

X — коэффициент гидравлического сопротивления зер­

нистого слоя.

В настоящее время принято величину коэффициента гид­

9