Технічні науки / 3. Галузеве машинобудування

К.т.н. Савицький Ю.В.

Хмельницький національний університет

Вплив газорідинного потоку на забруднену поверхню

Вступ

Склад та характер реальних забруднень визначається особливостями технології виготовлення, складання та випробувань машин, агрегатів та систем, станом та властивостями застосовуваних технологічних та робочих середовищ (рідин та газів), умовами експлуатації, рівнем технологічної культури при виробництві, випробовуваннях та експлуатації [1,2]. Між забрудненням та поверхнею деталі існують певні сили зчеплення, які утримують забруднення на поверхні тіла (деталі). Величина сил зчеплення залежить від складу та характеру забруднення. Під очисткою деталі розуміють відокремлення одного тіла (забруднення) від поверхні іншого (деталі). Робота по видаленню забруднення складається з механічної та фізико - хімічної дії очисного середовища на забруднення. Процес механічної дії очисного середовища багатьма дослідниками [3] вважається одним з основних чинників, що забезпечують ефективність очистки.

Основний розділ

Потік очисної рідини при взаємодії з забрудненою поверхнею розплющується та розтікається в сторони від центру контакту з поверхнею. При цьому на поверхню з боку потоку діють сили гідродинамічного тиску (сили тиску рідини), що створюють нормальний тиск на поверхню та сили швидкісної дії потоку рідини, який розтікається по поверхні, ці сили створюють дотичні напруження тертя.

Розглянемо схему розтікання потоку при нормальному ударі до поверхні (рис.1) [4]. Розділимо потік, що розтікається, на дві зони - А та В. Зона А з радіусом характеризується тим, що в ній вектори швидкостей рідини направлені під кутом до поверхні, на яку діють нормальні напруження в напрямку сили тиску та дотичні напруження під дією потоку, що розтікається. Розміри цієї зони обмежуються стиснутим перерізом I - I глибиною .

Зона В характеризується зміною напрямку швидкостей в перерізі I - I. Нормальний тиск в цій зоні відсутній. Вектори швидкостей основної течії паралельні поверхні, а на точки поверхні діють дотичні напруження в напрямку основної течії. Швидкість рідини зменшується зі значення до значення в перерізі II - II. В перерізі II - II на відстані від центру контакту спостерігається валик рідини. В перерізі II - II спостерігається різке збільшення шару рідини, що відоме в гідравліці під назвою гідравлічного стрибка.

Сила нормального тиску, що діє на поверхню, визначаються за формулою Д.Бернулі [5]:

, (1)

Рис. 1. Схема розтікання потоку по поверхні

де - питома вага рідини;

- прискорення вільного падіння;

- площина перерізу потоку;

- швидкість потоку біля насадка;

- кут нахилу площини перешкоди до лінії дії потоку.

Дійсне значення дещо менше за розрахункове [4]:

, (2)

При турбулентному режимі руху рідини відбувається дуже енергійне хаотичне перемішування рідини. Турбулентні пульсації переносять імпульс рідини до поверхні твердого тіла, що обтікається, це призводить до появи середнього потоку імпульсу до поверхні [6]. Наявність середнього потоку імпульсу до твердої поверхні означає, що на дану поверхню діє сила поверхневого тертя. Перенесення імпульсу в рідині можна характеризувати турбулентною в’язкістю [7].

В загальному випадку осереднений турбулентний потік одночасно має молекулярну і турбулентну в'язкість. Тому повне сумарне дотичне напруження тертя на поверхні визначається за формулою [8]:

, (3)

де - динамічний коефіцієнт в'язкості несучої фази;

- коефіцієнт пропорційності, що називається динамічним коефіцієнтом турбулентного обміну;

- градієнт швидкості.

Для двофазних середовищ (рідина з включеннями газових пухирців) широке розповсюдження має поправка Ейнштейна до динамічного коефіцієнта несучої фази. Поправлений динамічний коефіцієнт несучої фази виражається через відповідні коефіцієнти:

- для чистої несучої фази;

- для газоподібних домішок зі сферичною формою часток.

Газові пухирці, що виникають при протіканні рідини через насадок з гострими крайками на вході мають розміри порядку 0,1...0,4 мм в діаметрі та вважаються [9] твердими домішками тому, що тиск всередині газових пухирців перевищує тиск в рідині. Тому динамічний коефіцієнт в'язкості несучої фази прийме вигляд :

, (4)

де - об'ємна доля домішок.

Тоді дотичні напруження тертя осередненого турбулентного потоку будуть рівні:

, (5)

Турбулентні пульсації переносять речовину, що розчинена в рідині. Перенесення речовини турбулентним потоком можна характеризувати коефіцієнтом турбулентної дифузії D_турб [6]. Перенесення речовини хаотичними турбулентними пульсаціями аналогічне перенесенню речовини при молекулярній дифузії в газах: наявність градієнту концентрації призводить до того, що на хаотичний рух газових молекул накладається систематичний рух в напрямку зменшення концентрації. Точно так наявність градієнта концентрації в хаотично розмішуваній рідині призводить до появи систематичного перенесення речовини в напрямку зменшення концентрації.

Коефіцієнт турбулентної дифузії D_турб не має нічого спільного з коефіцієнтом молекулярної дифузії. Він характеризує перенесення речовини хаотичним турбулентним рухом, тоді як коефіцієнт молекулярної дифузії характеризує перенесення речовини хаотичним молекулярним рухом. Турбулентний рух рідини змінюється в залежності від відстані до твердої поверхні, тому змінюється в залежності від відстані і перенесення речовини турбулентними пульсаціями. Таким чином коефіцієнт турбулентної дифузії D_турб залежить від відстані до поверхні твердого тіла та в потоці рідини з розвинутою турбулентністю він перевищує коефіцієнт молекулярної дифузії в багато тисяч разів. Велике значення D_турб забезпечує майже повну сталість концентрації розчину впритул до малих відстаней до поверхні твердого тіла. На малих відстанях до поверхні твердого тіла починає відчуватися гальмівна дія поверхні [10]. Тут зменшення масштабу турбулентних пульсацій призводить до встановлення логарифмічного профілю швидкостей.

Турбулентний потік біля поверхні має чотирьохшарову структуру, що показана на рис.2. Далеко від поверхні тіла існує область розвинутої турбулентності, що являється областю постійної концентрації. Ближче до поверхні твердого тіла, в турбулентному граничному шарі, відбувається повільне зменшення середньої швидкості та концентрації. В цій області молекулярна в’язкість та дифузія не грають відчутної ролі. Кількість руху і об’єм речовини переносяться турбулентними пульсаціями. Ще ближче до поверхні, у в’язкому підшарі турбулентні пульсації стають такими малими, що кількість руху, яка переноситься молекулярною в’язкістю, виявляється більшою за кількість руху, що переноситься турбулентними пульсаціями. Однак коефіцієнт молекулярної дифузії в тисячі разів менший за коефіцієнт турбулентної дифузії, тому залишки турбулентних пульсацій переносять все ж значно більше речовини, ніж молекулярна дифузія. Тільки на самій глибині в’язкого підшару при молекулярний механізм дифузії переважає турбулентний.

Турбулентний режим руху рідини під дією турбулентних пульсацій сприяє підвищенню інтенсивності видалення забруднень з поверхні твердих тіл завдяки більшій величині імпульсів, що підводяться до поверхні забруднення. Це також сприяє інтенсивнішому підведенню до забруднення технологічних речовин (поверхнево - активних речовин, синтетичних миючих засобів), що збільшує інтенсивність розчинення забруднень, які погано піддаються або взагалі не піддаються механічній дії очисного середовища.

Рис. 2. Структура турбулентного потоку

Висновки

Газорідинна суміш, яка утворюється на очисному устаткуванні [11] завдяки наявності газових пухирців малих розмірів руйнує граничний шар (в’язкий підшар), який існує на забрудненій поверхні в турбулентному потоці, тим самим збільшуючи інтенсивність перенесення очисної рідини до забруднення, що дозволяє збільшити швидкість видалення забруднень з твердої поверхні на тих же режимах роботи устаткування без збільшення енерговитрат.

Пульсуючий газорідинний потік, що отримується на установці [11] має деякі відмінності від тих двохфазних газорідинних потоків, що досліджувались вищезгаданими авторами. Цей потік вільно виходить в рідину, отже його можна вважати вільним затопленим турбулентним газорідинним потоком, в якому газові пухирці утворюються із повітря, що розчинене у рідині. Виходячи з подібності механізму утворення дотичних напружень тертя можна припустити, що і пульсуючий газорідинний потік утворює дотичні напруження тертя більші ніж потік чистої рідини, але це питання потребує подальшого підтвердження в зв'язку з недостатнім його вивченням. В подальших дослідженнях планується змоделювати взаємодію двохфазного газорідинного потоку з забрудненою поверхнею за допомогою комп’ютерної програми COSMOSWorks/FLOW, в якій використовуються новітні підходи інженерного аналізу на базі методу МКЕ.

Література

1. Келлер О.К., Кратыш Г.С., Лубяницкий Г.Д. Ультразвуковая очистка; -Ленинград: Машиностроение, 1977.-184 с.

2. Белянин П.Н., Данилов В.Н. Промышленая чистота машин. -М.: Маниностроение, 1982.-224 с.

3. Козлов Ю.С., Кузнецов О.К., Тельнов А.Ф. Очистка изделий в машиностроении.- М.:Машиностроение, 1982.- 264 с.

4. Садовский В.И. Очистка деталей гидравлическими струями при ремонте тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин: Дис... канд. техн. наук: -М., 05.04.1972.- 146 с.

5. Бернулли Д. Гидравлика или записки о силах и движениях жидкости., М.: 1959.

6. Левич В.Г. Физико - химическая гидродинамика.- М.: Гос.изд. физ.- мат. Лит. 1959.- 354 с.

7. Протодьяконов И.О., Сыщиков Ю.В. Турбулентность в процессах химической технологии. Л.: Наука, 1983.- 318 с.

8. Чугаев Р.Р. Гидравлика: Учебник для вузов. -Л.: Энергоиздат., 1982.- 627 с.

9. Рождественский В.В. Кавитация.- Л.: “Судостроение”, 1977.-248 с.

10. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя, М.: Наука, 1969.- 742 с.

11. А.с. 880519 (СССР) / Устройство для промывки деталей / Р.И.Силин, В.П.Кошель, А.И.Гордеев / Опубл. в Б.И. №42,1981,МКИ В08В 3/10, УДК 621.7.024