Режимы движения жидких сред

Введение

Предмет и задачи дисциплины

    Изучение технологических процессов составляет предмет дисциплины. Технология (techne – искусство, мастерство) – совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката в процессе производства.

Технология, как наука, определяет условия практического применения законов естественных наук (физики, химии, механики и др.) для наиболее эффективного проведения разнообразных технологических процессов. Технология непосредственно связаны с производством, а производство постоянно находится в состоянии изменения и развития.

Основная задача дисциплины: выявление общих закономерностей процессов переноса и сохранения различных субстанций; разработка методов расчета технологических процессов и аппаратов для их проведения; ознакомление конструкциями аппаратов и машин, их характеристиками.

Классификация основных процессов химической технологии

    Современная химическая технология изучает процессы производства различных продуктов. Однако, несмотря на огромное разнообразие технологических процессов, получение продуктов связано с проведением ряда однотипных процессов (перемещение жидкостей и газов, нагревание и охлаждение, сушка, химическое взаимодействие и т.д.). Итак, в зависимости от законов, определяющих скорость протекания процессов, они могут быть объединены в следующие группы:

    1. Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидромеханики. Сюда относятся транспортировка жидкостей и газов, получение и разделение неоднородных систем и др.

    2. Тепловые процессы, скорость которых определяется законами переноса теплоты (охлаждение и нагревание жидкостей и газов, конденсаций паров, кипение жидкостей и др.).

    3. Массообменные процессы, скорость которых определяется законами переноса массы из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз (абсорбция, адсорбция, экстракция, перегонка жидкостей, сушка и т.д.).

    4. Химические процессы, скорость которых определяется законами химической кинетики.

    5. Механические процессы, которые описываются законами механики твердых тел (измельчение, сортировка, смешение твердых материалов и др.)

Перечисленные процессы составляют основу большинства промышленных производств и поэтому называются основными (типовыми) процессами промышленной технологии. В курсе «Гидравлика и теплотехника» изучается первые три группы.

    В зависимости от того, как изменяются или не изменяются во времени параметры процессов (скорость движения потока, температура, давление и т.д.) их подразделяют на стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся). Обозначим параметры как U, тогда

 - стационарные процессы, U(x,y,z)

 - нестационарные, U(x,y,z,t)

    Периодический процесс характеризуется единством место проведения отдельных его стадий. Процесс нестационарный.

    Непрерывный процесс характеризуется единством времени протекания всех его стадий. Процесс установившийся (стационарный).

    Встречаются комбинированные процессы – отдельные стадии проводятся непрерывно, отдельные – периодически.

Гипотеза сплошности среды

    Жидкая среда заполняет тот или иной объем без каких-либо промежутков, сплошным образом. Жидкая среда, благодаря изменению расстояния между частицами, меняет внешнюю конфигурацию, т.е. деформируется. Для твердого тела подвижность частиц мала, а для жидких сред – велика. Поэтому, мерой подвижности частиц для жидких сред служат уже не сами смещения, а скорость смещения частиц, т.е. скорости деформаций. Следовательно, для сплошной жидкой среды мерами подвижности частиц служат их скорости и их скорости деформации. Замкнутая поверхность, состоящая из одних и тех же частиц, будет непрерывно деформироваться. Если нет разрыва сплошной среды, то реализуется непрерывность распределения в объеме скоростей и плотностей частиц.

    Под частицей сплошной среды подразумевает не любую как угодно малую часть ее объема, а весьма небольшую его часть, содержащую все же внутри себя миллиарды молекул. В общем случае минимальная цена деления макроскопического масштаба пространственной D  или временной Dt координаты должна быть достаточно малой, чтобы пренебречь изменением макроскопических физических величин в пределах D  или Dt, и достаточно большой, чтобы пренебречь флуктуациями макроскопических величин, полученных осреднением микроскопических величин по времени Dt или элементу пространства D ³. Выбор минимальной цены деления макроскопического масштаба определяется характером решаемой задачи. Для промышленного аппарата можно с достаточной степенью точности принимать в качестве минимальной цены деления пространственных координат 1мм и временных координат 1с.

Движение макроскопических объемов среды приводит к переносу массы, импульса и энергии.

Режимы движения жидких сред

    При течение жидкой среды (жидкости) реализуется 2 режима:

    -ламинарный,

    -турбулентный.

    При ламинарным режиме жидкость течет малой скоростью, отдельными струйками, не смешиваясь, параллельно стенкам канала. При этом траектории отдельных частиц не пересекаются, все частицы имеют лишь продольную составляющую скорости.

    С увеличением скорости движения потока жидкости картина качественно меняется. Траектории частиц представляют сложные, хаотичные кривые, пересекающие между собой. Во всех точках потока скорость и давление нерегулярно изменяются с течением времени, пульсируют вокруг некоторых своих средних значений, возникают поперечные составляющие скорости. Этот режим движения жидкости называется турбулентным. Режим может меняться с изменением диаметра канала и вязкости жидкости. В турбулентном потоке можно говорить не об актуальных, но только об осредненных за достаточно протяженный отрезок времени величинах скорости и давления.

    Между ламинарными и турбулентными режимами движения жидкости находится область развития турбулентности. В этой область турбулентность имеет переменную интенсивность, увеличивающуюся с ростом скорости.

    При турбулентном режиме малые возмущения, возникающие в реальных условиях, не затухают, происходит развитие нерегулярного хаотичного движения отдельных объемов среды (вихрей). Вихри не являются устойчивыми, четко ограниченными в пространстве образованиями. Они зарождаются, распадаются на более мелкие вихри, затухают с переходом механической энергии в тепловую.

    При выполнении расчетов гидравлических сопротивлений, тепловых и массообменных процессов, происходящих в аппаратах и машинах, необходимо знать режимы течения жидкостей, поскольку для ламинарного режима характерны одни закономерности, а для турбулентного – другие.

    Количественно режим течения определяется по критерию Рейнольдса:

,                                    (1.1)

где w – средняя скорость потока; - плотность жидкости;  - характерный линейный размер потока;  - соответственно коэффициенты динамической и кинематической молекулярной вязкости. Для круглой трубы  = d. Установлено, что для круглой трубы 0 < Re < 2320 – ламинарный режим, 2320 < Re < 10⁴ – происходит развитие турбулентности, Re > 10⁴ – развитый турбулентный режим.

    Для круглой трубы Re_кр = 2320. Для каждого типа движения существует свое критическое число.