Способы снижения гидравлических сопротивлений

1.

Введение

в жидкость малых добавок полимеров или поверхностно-активных веществ (ПАВ) при определенных условиях приводит к снижению гидравлических сопротивлений, т. е. к уменьшению коэффициента Дарси .

Приведем одну из гипотез, объясняющих этот эффект.

Молекулы применяемых полимеров или ПАВ представляют собой весьма длинные образования (длина некоторых из них может превышать их поперечный размер в 100 000 раз). При наличии добавок увеличивается толщина вязкого подслоя и промежуточной зоны между подслоем и турбулентным ядром, так как в реальных условиях переход от вязкого подслоя к турбулентному ядру происходит, конечно, не по одной линии, а в некотором слое, толщина которого, так же как и, невелика. По мере увеличения концентрации добавок толщина промежуточного слоя растет. Вблизи стенок очень длинные молекулярные образования (мицеллы) ориентируются преимущественно по направлению движения и образуют «гибкую» поверхность, которая может изменяться волнообразно. После прохождения через насос или местные сопротивления молекулярные образования у полимеров разрываются и в применяемых сейчас полимерных добавках практически не восстанавливаются. Эффект снижения при этом, естественно, сильно уменьшается. У поверхностно-активных веществ мицеллы восстанавливаются и эффект снижения довольно стабилен по длине трубопровода.

Добавки влияют на градиент скорости вблизи стенок — он уменьшается. Вместе с тем поверхность, создающаяся из молекул добавок вблизи стенок трубы, способствует сильному (до 4−5 раз) уменьшению интенсивности пульсаций поперечной составляющей (), скорости, соответственно уменьшаются касательные напряжения, а значит, и .

Полимерные и другие добавки сейчас довольно широко применяются в трубопроводах промышленного водоснабжения, теплоснабжения, шахт, химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Начинается применение добавок и в мелиоративных трубопроводах. Применение некоторых добавок способствует очистке воды, приводит к замедлению коррозии. Имеются сведения о положительных результатах применения полимерных добавок в экспериментальной медицине (добавки в кровеносные сосуды).

Концентрация растворов добавок изменяется от 0,001 до 1%. Применение добавок позволяет до 60−80% снизить коэффициент по сравнению с в жидкости без добавок. Однако не всегда увеличение концентрации до максимально возможной дает максимальный эффект. В каждом из случаев имеется некоторое оптимальное значение концентрации добавок.

У жидкостей с добавками переход от ламинарного к турбулентному движению происходит при числах Рейнольдса гораздо больших (примерно в 10 раз), чем чистой жидкости.

Снижение при турбулентном движении начинается при достижении так называемого «порогового» числа (или «пороговой» средней скорости в данной трубе). С увеличением концентрации добавок числа уменьшаются.

2. В гидравлически гладких трубопроводах как при ламинарном, так и при турбулентном движении с увеличением числа Re коэффициент уменьшается. При неизменных и увеличение числа Re в капельной жидкости может быть достигнуто уменьшением кинематической вязкости подогревом жидкости или стенок трубы.

В воздухопроводах для уменьшения стенки надо охлаждать, так как воздуха уменьшается с уменьшением температуры.

3. Установлено, что подвижность («податливость») границ потока при подобранных определенным образом условиях может повлиять на значения, уменьшая или увеличивая их. К таким условиям относятся случаи, когда стенки, ограничивающие поток, колеблются с необходимыми частотами и амплитудами. Кроме того, наблюдается снижение в потоках с границами, колеблющимися в соответствии с характеристиками пульсаций, возникающих в жидкости. Экспериментально найдено, что амплитуда таких колебаний не должна превышать толщины вязкого подслоя. Лучшие результаты получались, когда амплитуды равнялись .

Подбор соответствующих (для снижения) характеристик гибких (податливых) границ представляет интерес при проектировании мягких трубопроводов из капроновой ткани или из других аналогичных материалов.