Способ исследования осаждения сферического облака полидисперсных твердых частиц в вязкой жидкости
METHOD OF INVESTIGATING DEPOSITION OF A SPHERICAL CLOUD OF POLYDISPERSE SOLID PARTICLES IN A VISCOUS LIQUID

Изобретение относится к области разработки способов и устройств для лабораторных исследований физических и химических процессов, в частности для исследования закономерностей движения облака твердых частиц в вязкой среде при осаждении в поле силы тяжести.
Процессы гравитационного осаждения облака частиц имеют практическое значение в задачах экологии (очистка водоемов от примесей), в угольной промышленности (гидроподавление пыли в угольных шахтах), в теплоэнергетике (сжигание распыленных топлив), в химической технологии (осадительные колонны) и в ряде других отраслей техники и технологии [1].
Характер движения совокупности твердых частиц при их осаждении в жидкой или газообразной среде существенно зависит от формы облака частиц и их начальной концентрации [2]. Теоретический анализ задачи не позволяет однозначно определить динамику изменения формы, коэффициента сопротивления и, следовательно, скорости осаждения совокупности частиц [3]. Для получения достоверных зависимостей используется, как правило, результаты экспериментальных исследований.
Известны способы исследования закономерностей гравитационного осаждения совокупности твердых частиц в жидкости, основанные на введении частиц в жидкость и их визуализацию при движении [4-6]. Эти способы отличаются механизмом введения в жидкость совокупности частиц.
Известен механический способ введения совокупности частиц, основанный на использовании кассеты и двух пластин, в которых на равных расстояниях просверлено одинаковое количество отверстий [4]. Пластины крепятся к кассете таким образом, что при движении одной из пластин с помощью соленоидов и совмещения отверстий обеих пластин происходит сброс частиц с регулируемым вертикальным расстоянием между частицами.
Известны способы создания сферического облака монодисперсных частиц, основанные на предварительном смачивании частиц рабочей жидкостью, размещении их на поверхности плоского диска в виде сферического сегмента или в полусферических ячейках, выполненных на поверхности диска [7, 8]. При погружении диска в жидкость происходит формирование облака частиц, по форме близкого к сферическому.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ [9], согласно которому частицы предварительно вводят в сферический контейнер, выполненный в виде двух вложенных полусферических оболочек с перфорированными стенками и перемешивают частицы с жидкостью в контейнере путем воздействия ультразвуковых колебаний. Затем поворотом одной из оболочек открывают контейнер для ввода облака частиц в рабочую жидкость. Данный способ обеспечивает создание сферического облака монодисперсных частиц в жидкости с коэффициентом динамической вязкости не более  (глицерин).
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа исследования процесса гравитационного осаждения сферического облака полидисперсных твердых частиц в жидкости с коэффициентом динамической вязкости  (например, силиконовое масло), обеспечивающего равномерное распределение частиц в облаке, нулевую начальную скорость осаждения и заданную начальную концентрацию частиц в облаке.
Технический результат изобретения достигается тем, что разработан способ исследования осаждения сферического облака полидисперсных твердых частиц в вязкой жидкости, включающий перемешивание частиц путем воздействия ультразвуковых колебаний в погруженном в жидкость сферическом контейнере, выполненном в виде двух вложенных друг в друга полусферических оболочек с возможностью его открытия при вращении одной из оболочек вокруг оси симметрии, введение частиц в кювету с вязкой жидкостью, выполненную из прозрачного материала, и визуализацию процесса осаждения частиц. Сферический контейнер, выполненный из сплошных оболочек, предварительно заполняют водой, перемешивают полидисперсные частицы с водой, причем в процессе перемешивания постепенно вытесняют воду из контейнера вязкой жидкостью с коэффициентом динамической вязкости, соответствующим вязкости жидкости в кювете. Время вытеснения воды вязкой жидкостью и время открытия контейнера выбирают в соответствии с соотношениями
1
τ≥(3÷5) минут,
а начальную концентрацию частиц в облаке определяют по формуле
1
где τ - время вытеснения воды из контейнера вязкой жидкостью, с;
2
τ - время открытия контейнера, с;
k
D - диаметр контейнера, м;
- коэффициент динамической вязкости жидкости, Па⋅с;
p
3
ρ - плотность материала частиц, кг/м;
3
- плотность жидкости, кг/м;
max
D - диаметр наиболее крупных частиц, м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
o
С - начальная объемная концентрация частиц;
i
N - количество частиц i-й фракции;
i
D - диаметр частиц i-й фракции;
n - количество фракций частиц.
Полученный положительный эффект изобретения обусловлен следующими факторами.
1. Предварительное заполнение контейнера, выполненного из водонепроницаемых (сплошных) оболочек, водой обеспечивают изоляцию полости контейнера от вязкой жидкости в кювете, и позволяет осуществлять перемешивание полидисперсных частиц с водой.
2. Перемешивание частиц с водой обеспечивает равномерное распределение полидисперсных частиц в полости сферического контейнера, поскольку низкий коэффициент динамической вязкости воды  позволяет интенсифицировать процесс перемешивания под воздействием ультразвуковых колебаний.
3. Постепенное вытеснение воды из контейнера вязкой жидкостью обеспечивает сохранение равномерного распределения частиц в полости контейнера вплоть до полного замещения воды жидкостью с коэффициентом динамической вязкости, соответствующим вязкости жидкости в кювете. С ростом вязкости жидкости в контейнере подвижность частиц уменьшается, что способствует сохранению равномерного распределения частиц.
4. Время вытеснения воды из контейнера вязкой жидкостью t≥(3÷5) минут определено экспериментально из условия минимального воздействия напора вязкой жидкости, подаваемой в контейнер, на структуру облака частиц в контейнере.
2
5. Время открытия контейнера выбирают из условия минимальной деформации облака в период открытия. Расстояние, пройденное частицей при осаждении за время τ, составляет
где u - скорость осаждения частицы.
Условие минимальной деформации облака сформулируем в виде неравенства
где  - смещение границы облака за счет осаждения частиц.
Условие (4) означает, что смещение границы облака  не превышает 2.5% от его диаметра.
Стационарная скорость осаждения одиночной частицы в вязкой жидкости равна [10]
max
где D - диаметр наиболее крупной частицы в облаке.
Подставляя (5) в (3), (4), получим условие (1) для определения времени открытия контейнера:
6. Начальная объемная концентрация частиц в контейнере определяется формулой
p
где V - суммарный объем частиц;
к
V - объем контейнера.
Суммарный объем полидисперсных частиц равен
Объем контейнера равен
Подставляя (7), (8) в (6), получим формулу (2):
Пример реализации
Сущность заявляемого изобретения поясняется схемой (Фиг. 1). В контейнер, состоящий из неподвижной 1 и подвижной 2 полусферических оболочек, вводили навеску твердых полидисперсных сферических частиц 3. Подвижная оболочка 2 жестко связана с осью 4, которая может вращаться в подшипниках 5. Вращением оболочки 2 контейнер закрывали (Фиг. 1а) и помещали в кювету с жидкостью. После перемешивания частиц с жидкостью поворотом подвижной оболочки 2 на 180 градусов контейнер открывали (Фиг. 1б). При этом сферическое облако частиц начинало осаждаться в кювете с жидкостью.
Схема установки для исследования процесса осаждения облака частиц приведена на Фиг. 2. Контейнер с частицами размещали в кювете 6 с вязкой жидкостью 7. Через патрубок 8 с вентилем 9 вводили в контейнер воду из емкости 10. После полного заполнения контейнера излишек воды вытеснялся через дренажную трубку 11.
Перемешивание частиц с водой в контейнере проводили воздействием ультразвуковых колебаний от генератора 12 типа УЗГМ-10-22МС. В процессе перемешивания постепенно вытесняли воду вязкой жидкостью, подаваемой в контейнер из емкости 13 через вентиль 14 и патрубок 15. Излишек вязкой жидкости вытеснялся из контейнера через дренажную трубку 11. После полного замещения воды вязкой жидкостью открывали контейнер поворотом подвижной оболочки 2.
Визуализацию процесса осаждения облака частиц проводили с использованием съемки через прозрачные стенки кюветы 6 двумя скоростными цифровыми видеокамерами 16 типа Citius С 100 в двух ракурсах с темпом съемки (50÷100) кадров в секунду. Обработка видеорядов проводилась с использованием компьютера, на который поступала информация с видеокамер. По результатам обработки определялись закономерность эволюции формы облака, изменение его объема, концентрация частиц в облаке, скорость движения центра масс облака и коэффициент сопротивления облака частиц.
р
p
max
3
-3
-3
Эффективность заявляемого способа подтверждена проведением экспериментов по осаждению полидисперсных твердых сферических частиц в вязкой жидкости. В качестве жидкости использовали силиконовое масло ПМС-10000  В экспериментах использовали стальные шарики (ρ=7748 кг/м) в диапазоне размеров D=(1÷3) мм=(1÷3)⋅10 м. (Диаметр наиболее крупного шарика D=3⋅10 м).
k
-3
В качестве примера рассмотрим контейнер диаметром D=30 мм=30⋅10 м. Проведем расчет времени открытия контейнера по формуле (1):
Для расчета начальной объемной концентрации облака частиц рассмотрим полидисперсную систему из 100 шариков (таблица 1).
В соответствии с формулой (1) начальная объемная концентрация частиц в облаке равна
i
i
1
1
2
2
к
0
Варьируя диаметр контейнера, количество фракций частиц n, диаметр D и количество N частиц каждой из фракций можно варьировать начальную концентрацию частиц в широком диапазоне. В частности, на Фиг. 3 приведены видеокадры осаждения бидисперсной системы частиц (шарики D=1 мм; N=35; D=3 мм; N=35) из контейнера диаметром D=15 мм при начальном объеме концентрации частиц С=0.28.
Таким образом, из приведенного примера следует, что предлагаемый способ обеспечивает достижение технического результата изобретения - позволяет исследовать процесс гравитационного осаждения сферического облака полидисперсных твердых частиц в жидкости с коэффициентом динамической вязкости  При этом обеспечиваются равномерное распределение частиц в облаке, нулевая начальная скорость осаждения и заданная начальная концентрация частиц в облаке.
ЛИТЕРАТУРА
1. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. - Л.: Химия, 1982. - 288 с.
2. Соу С. Гидродинамика многофазных систем. - М.: Мир, 1971. - 536 с.
3. Броунштейн Б.И., Фишбейн Г.А. Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных средах. - Л.: Химия, - 1977. - 279 с.
4. Хоргуани В.Г. О характере и скорости падения системы частиц одинаковых размеров // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. - 1966. - Т. 2, №4. - С. 394-401.
5. Metzger В., Nicolas М., Guazzelli Е. Falling clouds of particles in viscous fluids // Journal of Fluid Mechanics. - 2007. - Vol. 580. - P. 283-301.
6. Daniel W.B., Ecke R.E., Subramanian G., Koch D.L. Clusters of sedimenting high-Reynolds-number particles // Journal of Fluid Mechanics. - 2009. - Vol. 625. - P. 371-385.
7. Патент РФ №2610607, МПК G01N 15/04. Способ исследования процесса гравитационного осаждения совокупности твердых частиц в жидкости / В.А. Архипов, А.С. Усанина, Г.Р. Шрагер. - Опубл. 14.02.2017, Бюл. №5.
8. Патент РФ №2617167, МПК B01L 1/00. Установка для исследования осаждения совокупности твердых частиц в жидкости / В.А. Архипов, А.С. Усанина, Н.Н. Золоторёв. - Опубл. 21.04.2017, Бюл. №12.
9. Патент РФ №2620761, МПК G01N 21/85 Способ исследования осаждения сферического облака твердых частиц в жидкости / В.А. Архипов, А.С. Усанина, С.Н. Поленчук. - Опубл. 29.05.2017, Бюл. №16.
10. Архипов В.А., Усанина А.С. Движение частиц дисперсной фазы в несущей среде. - Томск: Издательский Дом Томского государственного университета, 2014. - 252 с.