Исследование влияния гидродинамически-активных добавок на характеристики течений со свободными границами

Введение в турбулентный поток жидкости примесей. Механическая деструкция макромолекул при длительном пребывании в турбулентном потоке. Структура турбулентных течений с добавками. Влияние добавок полимеров и пав на течения со свободными границами.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Исследование влияния гидродинамически-активных добавок на характеристики течений со свободными границами

1. Современное состояние вопроса

Открытие и последовательное осознание того факта, что введение в турбулентный поток жидкости соответствующим образом подобранных добавок приводит к существенному снижению турбулентного трения, относится к работам Б. Томса /8/ и К. Миселса /9/. Эксперименты эти были выполнены в 1945-1946 годах, однако систематическое исследование указанного явления начались лишь в 1954-1959 годах. Обусловлено это было обнаружением высокоэффективных водорастворимых добавок и, в связи с этим, появлением возможности практического использования эффекта снижения сопротивления трения. Интенсивное развитие этого вопроса отражается в многочисленных публикациях теоретического и прикладного плана. В частности, этой проблеме посвящено уже свыше 1000 публикаций. Подробное изложение их является предметом ряда обзорных работ /1ч7; 10ч14/.

Хотя в большинстве случаев в качестве снижающих трение полимерных добавок исследователи используют гуаровую смолу, полиоксиэтилен, полиакриламид и натриевую соль карбоксиметицеллюлозы, было обнаружено, что многие другие высокополимеры с соответствующим растворителем обладают способностью снижать турбулентное трение. Некоторые пары полимер - растворитель, дающие снижение сопротивления приведены в работе Хойта /12/, наиболее полно этот вопрос освящен в работах /2, 14/. Из анализа указанной литературы с полной уверенностью можно считать правильными выводы Хойта, что любые макромолекулярные вещества достаточно большого молекулярного веса (50000 и более) главным образом с линейной структурой молекул будут снижать сопротивление в любой жидкости, в которой они растворяются.

Однако широкому применению полимеров препятствует ряд обнаруженных при их изучении недостатков: механическая деструкция макромолекул при длительном пребывании в турбулентном потоке, невысокая эффективность в трубах большого диаметра, низкая скорость растворения.

Существенное воздействие на пристенную турбулентность оказывают и добавки другой природы: мицеллообразующие поверхностно - активные вещества (ПАВ). Своим названием ПАВ обязаны способности снижать поверхностное и межфазное натяжение из-за адсорбции и ориентации молекул у поверхности раздела. Снижение поверхностного натяжения, как правило, обусловлено дифильностью строения молекул ПАВ, обладающих полярной группой и неполярной углеводородным радикалом.

Впервые сообщение о способности ПАВ снижать гидродинамическое сопротивление (было обнаружено аномальное трение напалма при движении в огнеметной установке) приводится в работах /9/. Способ снижения сопротивления с использование малоподобных веществ был запатентован еще в 1949 году, однако изучение особенностей течения жидкостей с добавками этого класса стало производиться гораздо позже.

Сэвинс /15/ первым обнаружил важное свойство растворов ПАВ, обладающих сниженным сопротивлением - устойчивость к механической деструкции. В работе /15/ приведены результаты исследований, когда свойство снижать сопротивление в растворе ПАВ сохранялось после 88 часов перекачивания его насосом. Было также показано, что при больших сдвиговых напряжениях наблюдается исчезновение эффекта снижения сопротивления и его восстановление при уменьшении напряжений.

К первым публикациям по использованию мицеллообразующих поверхностно - активных веществ для уменьшения турбулентного трения жидкостей у нас в стране следует отнести ряд работ, выполненных под руководством И.Л. Повха и А.Б. Ступина. В имеющихся к настоящему времени сравнительно небольшом количестве работ, посвященных изучению особенностей снижения турбулентного сопротивления добавками ПАВ освещен очень узкий круг вопросов, связанных с интегральными характеристиками потоков и практически отсутствуют сведения об особенностях турбулентности в растворах ПАВ.

С целью расширения класса добавок, снижающих турбулентное трение, изучения особенностей их влияния на поток жидкости, ряд авторов использовали различные специфические добавки: асбестовые, древесные, натуральные и синтетические волокна, глинистые частицы, продукты жизнедеятельности морских организмов и водорослей и т.п. /3, 6, 14/. Однако исследования эти немногочисленны и их данные в ряде случаев противоречивы. Перспективы практического использования указанных добавок весьма проблематичны.

Остановимся на некоторых, наиболее общих особенностях воздействия на турбулентность добавок полимеров и поверхностно - активных веществ.

1.1 Структура турбулентных течений с добавками

В настоящее время не существует единой точки зрения относительно механизма снижения турбулентного трения добавками. Трудности в обосновании гипотез связаны со сложностью изучаемого явления, которое с позиций классической гидродинамики обладает рядом аномалий, а также с отсутствием представительной теории неоднородной пристенной турбулентности.

Для понимания физической природы эффекта снижения сопротивления и построения рациональных схем расчета турбулентных течений с добавками необходимо знать особенности их влияния на структуру пристенной турбулентности. Изучение характерных свойств турбулентной структуры важно также с точки зрения оптимального использования добавок в технических приложениях.

К настоящему времени достаточно полно изучено влияние добавок полимеров на распределение профилей скорости и турбулентные характеристики. Информация о зарубежных работах этого направления содержится в обзорах /10ч14/.

Необходимо отметить, что первые опыты по исследованию турбулентных течений с полимерными добавками были выполнены с помощью трубок Пито и термоанемометра. Однако последующие эксперименты вскрыли определенные недостатки этих приборов. В частности, в растворах полимеров трубки Пито небольшого диаметра (менее 2,5 - 3 мм) дают заниженные показания, что ограничивает их возможности при проведении измерений в пристенной области /12/. При термоанемометрических измерениях возникают аномальные сигналы./12/, цилиндрические и клиновидные датчики в полимерных растворах имеют очень низкие значения коэффициентов теплоотдачи /12/. Кроме того, в процессе эксперимента наблюдался временный ход показаний термоанемометра /12/.

Отмеченные недостатки трубок Пито и термоанемометра ограничивают их применение для измерения осредненных и пульсационных скоростей в потоках с добавками. Данное обстоятельство стимулировал работы по разработке и применению для исследования структуры течений с добавками бесконтактных методов измерения гидродинамических величин. Наиболее перспективными из них оказались метод стробоскопической визуализации потока и ОДИС - метод (лазерная доплеровскяа анемометрия), с помощью которых были измерены профили средней скорости и турбулентные характеристики в растворах полимеров по всему сечению потока, включая область вязкого подслоя и переходную зону.

Профили средней скорости. Проведенные исследования показали, что добавки полимеров оказывают существенное влияние на пристенную турбулентность. Профили средней скорости в растворах полимеров значительно трансформируются, относительные размеры пристенной области, включающей вязкий подслой и переходную зону, значительно возрастают. В работах /10,11/ введено понятие о трех зонах профиля скорости в снижающем трении полимерном потоке. Это ньютоновский вязкий подслой с линейным профилем скорости, переходная область (зона взаимодействия добавок с потоком или «упругий» подслой), которая идет по прямой наибольшего или максимально достижимого снижения сопротивления и внешнюю область с ньютоновской постоянной Кармана ?= 0,4 (турбулентное ядро течения).

При достаточно высоких числах Рейнольдса и малом снижении сопротивления в турбулентном ядре потока сохраняется логарифмическое распределение скорости с увеличенным значением параметра (по сравнению со случаем турбулентного течения обычной ньютоновской жидкости, когда В = 5,5)

U⁺ = 2.5 ln y⁺ +B

U⁺ = ; U_* = , y⁺ = ,

где U - локальная осредненная скорость, у - расстояние по нормали от стенки. С увеличением величины эффекта снижения сопротивления имеет место прогрессивное сжатие области турбулентного ядра течения, ее внутренняя граница смещается по направлению к оси трубы, пока не произойдет полное исчезновение этой области при максимальном уменьшении сопротивления. Это означает соответствующее увеличение протяженности упругого подслоя, выражение для которого при максимальном снижении сопротивления получено П. Вирком /10/ в виде:

U⁺ = 11.7 ln y⁺ - 17.0

Аналогичное влияние добавок ПАВ на профиль скорости отмечено в имеющихся к настоящему времени ограниченном количестве работ, в основном советских авторов /6, 7/.

Турбулентные характеристики. Информация о структуре турбулентности в растворах с добавками, имеющаяся только применительно к режиму со снижением сопротивления, свидетельствует о существовании трех радиальных зон, аналогичных (но не тождественных) зонам, наблюдаемым на профилях средней скорости: вязкий подслой, упругий подслой и турбулентное ядро течения.

Турбулентное течение ньютоновской жидкости в вязком подслое обладает квазирегулярной пространственно-временной структурой. Существуют периоды спокойного, почти ламинарного...