Внешняя задача гидродинамики

Законы движения твердых тел в жидкости (или обтекание жид­костью твердых тел) имеют важное значение для расчета многих аппаратов, применяющихся при производстве строительных мате­риалов. Знание этих законов позволяет не только более полно представить физическую сущность явлений, происходящих, например, при транспортировании бетонной смеси по трубопроводам, перемешивании различного рода масс, движении частиц при суш­ке и обжиге во взвешенном состоянии, но и более правильно и эко­номично сконструировать технологические агрегаты и установки, применяемые для этих целей.

При обтекании неподвижной частицы потоком жидкости возни­кают гидродинамические сопротивления, зависящие в основном от режима движения и формы обтекаемых частиц. При небольших скоростях и малых размерах тел или при высокой вязкости среды режим движения ламинарный, тело окружено пограничным слоем жидкости и плавно обтекается потоком. Потеря давления в этом случае связана главным образом с преодолением сопротивления трения (рис 4.2 а). С развитием турбулентности все большуюроль начинают играть силы инерции. Под действием их погранич­ный слой отрывается от поверхности, что приводит к понижению давления непосредственно за телом, образованиям в этой области завихрений (рис. 4.2 б). В результате возникает дополнительная сила сопротивления, направленная навстречу потоку. Поскольку она зависит от формы тела, ее называют сопротивлением формы. Со стороны же движущейся жидкости на нее действует сила сопротивления, равная по величине добавочной силе давления жидкости на тело. Сумму обоих сопротивлений называют сопро­тивлением давления.

а) б)

Рис. 4.2. Схема обтекания жидкостью твердого тела: а – ламинарный режим; б – турбулентный режим

Начиная с некоторых значений критерия Рейнольдса роль ло­бового сопротивления становится преобладающей, а сопротивле­нием трения можно практически пренебречь. Сопротивления движения и трения в общем случае существуют одновременно, и полное сопротивление, которое возникает при от­носительном движении тела и жидкости, представляет собой сумму этих сопротивлений:

р = р_давл + р_тр. (4.7)

Соотношение между компонентами полного сопротивления в различных случаях различно.

Полное сопротивление определяется из формулы, предложен­ной Ньютоном:

p = csρv² /2, (4.8)

где с – коэффициент сопротивления; s – площадь сечения.

В промышленности многие технологические процессы сопро­вождаются пылением. Для обеспыливания отработанных газов применяют мокрую очистку, основанную на тесном контакте меж­ду запыленным газом и очищающей жидкостью.

Для образования значительной поверхности контакта чаще всего прибегают к такому приему, когда жидкость заставляют стекать под действием силы тяжести по вертикальной или наклон ной стенке, а газ (или пар) направляется снизу вверх. Нашли применение и такие аппараты, в которых газ проходит через слой жидкости, образуя отдельные струи, пузыри, пену и брызги. Такой процесс называется барботажем.

В промышленности строительных мате­риалов барботирование воздухом применя­ют в основном в двух случаях: при интенсификации перемешивания жидких масс иногда с одновременным их по­догревом (в последнем случае чаще приме­няют пар); для получения эмульсий и пен. При барботаже различают два основных вида работы аппарата — пузырьковый и струйный. При малом расходе газа наблюдается пузырьковый ре­жим. Прорыв газа через жидкость происходит отдельными пузырь­ками, размеры которых зависят от конструкции барботера, свойств жидкости и скорости газа.