Процессы диспергирования жидкостей и газов
Образование капель и пузырей при гидродинамической неустойчивости границы раздела фаз. Нарастание амплитуды волнообразного возмущения поверхности. Теория изотропной турбулентности. Диспергирование капель и пузырей под действием турбулентных пульсаций.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | лекция |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 03.11.2014 |
| Размер файла | 909,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Образование капель и пузырей при истечении диспергируемой среды из одиночных отверстий и сопел:
,
Откуда (1)
Коэффициент ?? зависит от приведенного диаметра отверстия
(2)
|
d' |
0.024 |
0.1 |
1.0 |
2.0 |
|
|
?? |
0.924 |
0.804 |
0.600 |
0.652 |
Критический расход, при котором капли (пузыри) успевают всплывать:
, (3)
где - предельная скорость движения капель.
Переходный (динамический) режим:
(4)
Здесь:
Переход к струйному режиму:
(5)
Образование капель и пузырей при гидродинамической неустойчивости границы раздела фаз
Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца наблюдается, когда две жидкости движутся с разными продольными скоростями относительно поверхности раздела. Если при определенной скорости скольжения двух жидкостей наблюдается нарастание амплитуды волнообразного возмущения поверхности, то это способствует разрушению поверхности раздела и образованию частиц размером, приближенно равным длине волны лu (см. рис.).
Рис. Возникновение гидродинамической неустойчивости и образование частицы
Для идеальных жидкостей из условия равновесия сил поверхностного натяжения и инерции следует (см., например, в [30]):
, (6)
где -- поверхностное натяжение; 1 и 2 -- плотности граничащих фаз; u -- относительная скорость фаз.
Другой характерный вид неустойчивости -- неустойчивость Рэлея-Тейлора. Поверхность между двумя жидкостями неустойчива, если на эти жидкости нормально границе раздела фаз действует вектор ускорения, имеющий направление от легкой фазы к тяжелой.
Если сосуд перемещать вниз с ускорением 2g, направленным в противоположную сторону (что равносильно переворачиванию сосуда), то поверхность раздела теряет устойчивость, и возмущение, как и в первом случае (рис.), будет приводить к образованию капель в газе и пузырей в жидкости, имеющих размер одного порядка с длиной волны g.
Для идеальных жидкостей (см., например, в [30]):
. (7)
Диспергирование капель и пузырей под действием турбулентных пульсаций
Особый практический интерес представляет образование дисперсной фазы в турбулентном потоке, когда пузырь или капля подвергаются воздействию пульсационных струй, разрывающих их на две части.
В соответствии со схемой дробления можно положить, что условие разрыва капли или пузыря представляется в виде
(8)
Определение скоростей пульсационных струй vт строится на теории изотропной турбулентности, предложенной Колмогоровым и Обуховым. Согласно этой теории, среднеквадратичная разность пульсационных скоростей , измеряемых в двух точках движущейся среды на расстоянии л друг от друга, составляет
,
Численное значение микромасштаба турбулентности можно определить по формуле гидродинамический амплитуда диспергирование
. (9)
Таким образом, следует известное уравнение Колмогорова:
. (10)
Уравнение Колмогорова (10) справедливо в тех случаях, когда вязкость дисперсной фазы достаточно велика, чтобы погасить осцилляции капли, возбуждаемые турбулентными пульсациями. Если же вязкость дисперсной фазы мала, то распад капли может происходить в результате ее осцилляций. Очевидно, что наибольшая вероятность распада капли в результате осцилляций будет при совпадении собственной частоты колебаний жидкой капли и частоты возмущающей силы, т. е при резонансе. Собственная частота колебаний 2 жидкой капли равна:
,
где * -- частота гармонических колебаний:,
а -- декремент затухания колебаний капли: .
Если характерную частоту турбулентных пульсаций принять как ,
то для минимального размера капель, дробящихся в турбулентном потоке, можно получить:
, (11)
где Ст -- коэффициент, зависящий от декремента затухания колебаний, т. е. от вязкости дисперсной фазы, и изменяющийся в пределах Ст = 0,51,0 при изменении декремента затухания = 0 0,5. Если же значение декремента затухания > 0,5, то силы вязкости практически полностью демпфируют колебания и размер капли будет определяться уравнением (10).
Например в аппаратах с мешалками наиболее высокий уровень турбулизации создается в вихревых зонах, образующихся непосредственно за лопастями мешалки при их движении в потоке, движущемся со значительно меньшей окружной скоростью. В этих зонах величина максимального локального значения скорости диссипации энергии 0м может быть определена как
, (12)
где ;
л -- угол наклона лопасти мешалки к горизонтальной плоскости, град. Для аппаратов с отражательными перегородками обычно = 0,050,25. Значение lm -- наибольший характерный размер вихревой зоны -- принимается равным длине lл лопасти
Дробление капель и пузырей при совместном действии нескольких механизмов диспергирования
Диспергирование твердых тел
Дробление и измельчение
Энергия, необходимая для разрушения частицы, определяется суммой
1) работ упругой и пластической предельных деформаций, а также
2) работой поверхностных сил в условиях опыта.
3)
Закон Кирпичева-Кика:
Закон Кирпичева--Кика определяет энергию на упругую деформацию материала и не учитывает вновь образованной поверхности и потому закон справедлив для процессов дробления, где основная энергия тратится на деформацию материала.
Теоретическая мощность, необходимая для дробления:
где ?М - коэффициент полезного действия механизма дробилки;
?Р - коэффициент полезного действия способа разрушения.
Закон Риттингера: Закон Риттингера не учитывает затраты энергии на упругую деформацию и более подходит для процессов помола, где преобладает истирание с интенсивным образованием новой поверхности.
Закон Бонда:
математическое объединение двух первых законов
Таким образом, при тонком помоле различных материалов лучше пользоваться законом Ритингера (поверхностная гипотеза), при крупном дроблении желательно использовать закон Кирпичева (объемная гипотеза), а при мелком дроблении и грубом помоле больше подходит закон Бонда.
Ударный механизм
Раздавливающий
Истирающий
Для ударного и раздавливающего действия: работа на разрушение
(1)
Мощность, затрачиваемая на дробление:
(2)
где K????коэффициент прочности куска:
Степень дробления определяется как отношение размеров максимальных по крупности кусков материала до и после дробления:
(3)
Основные приемы дробления тел
1. Валковые дробилки
Одной из первых машин, предназначенных для дробления твердых материалов, стала валковая дробилка (Англия, 1806 г.). В ней материал затягивается силами трения и раздавливается между двумя параллельными цилиндрическими валками, вращающимися навстречу друг другу (рис.1).
Рис. Схема захвата куска материала гладкими валками
Степень измельчения в валковых дробилках i ? 4. При i > 4 в объеме, ограниченном валками, возрастает концентрация материала вплоть до его запрессовывания. При этом резко возрастает усилие дробления. Поэтому в традиционных конструкциях валковых дробилок при превышении некоторого порогового усилия валки раздвигаются.
Из условий равновесия сил, действующих на дробимое тело (рис. 1), следует условие затягивания куска валками
2arctg f, (1)
где -- угол захвата, -- коэффициент трения куска материала о поверхность валка.
Из геометрических соотношений нетрудно получить выражение для отношения диаметра валка d к максимальному размеру куска , затягивание которого еще возможно:
, 2)
где -- зазор между валками.
При a = 0 и f 0,3 (значение коэффициента трения для большинства твердых материалов) из соотношений (1) и (2) получим
. (3)
Условие (3) определяет принципиальный недостаток конструкции валковой дробилки -- практическую невозможность создания машин для крупного дробления, так как при = 0,5 м габариты машины уже превысят 20 метров.
Отношение (3) можно уменьшить за счет увеличения коэффициента трения в (1). Применение рифленых валков позволило снизить это отношение до 10, а использование зубчатых -- до 3. Однако рифленые валки могут быть использованы только для материалов средней прочности, а зубчатые -- только для мягких. В современных гладковалковых дробилках максимальный размер валка не превышает 1,5 м, что соответствует = 75 мм.
2. Щековые дробилки.
Кардинально снизить отношение габаритного размера машины к размеру куска удалось в появившейся в 1858 г. в США щековой дробилке с простым движением щеки.
Рис. Схема щековой дробилки с простым движением щеки: 1 -- неподвижная щека; 2 -- ось подвеса; 3 -- подвижная щека; 4 -- эксцентриковый вал; 5 -- шатун; 6 -- распорные плиты
Минимальная величина хода щеки определяется условиями достижения в куске разрушающих деформаций. Выражение для разрушающей деформации куска кубической формы имеет вид:
, (4)
где е -- относительная деформация; [сж] -- разрушающее напряжение сжатия; E -- модуль упругости.
Рис. Схема щековой дробилки со сложным движением щеки: 1 -- неподвижная щека; 2 -- эксцентриковый вал; 3 -- подвижная щека; 4 -- распорная плита
3. Конусные дробилки.
В 1880 г. в США появилась конусная дробилка, конструкция которой принципиально исключает неравномерность распределения усилия дробления.
Рис. Схема конусной дробилки крупного дробления: 1 -- узел подвеса подвижного конуса; 2 -- вал; 3 -- подвижный конус; 4 -- неподвижный конус; 5 -- эксцентриковый стакан
Рис. Схема конусных дробилок среднего и мелкого дробления: 1 -- неподвижный конус; 2 -- подвижный конус; 3 -- сферическая опора; 4 -- эксцентриковый стакан
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Процесс конденсации, переходящий из флуктуационного режима роста зародышей новой фазы в стадию переконденсации, именуемую также коалесценцией, или Оствальдовским созреванием [ ], когда рост крупных капель происходит за счёт растворения более мелких.
курсовая работа [275,4 K], добавлен 24.06.2008Основное свойство жидкости: изменение формы под действием механического воздействия. Идеальные и реальные жидкости. Понятие ньютоновских жидкостей. Методика определения свойств жидкости. Образование свободной поверхности и поверхностное натяжение.
лабораторная работа [860,4 K], добавлен 07.12.2010Описание физических свойств пузырей в жидкости и физических явлений, в которых пузыри принимают участие. Модельный опыт по флотации. "Мягкий" и "твердый" пузырек в жидкости. Газовый пузырек у границы между жидкостями. Закономерности процесса кавитации.
реферат [3,7 M], добавлен 18.01.2011История развития и краткое изложение гидродинамической теории смазки, методики использования уравнений этой теории и результаты расчетов. Совершенствование подшипников автомобильных двигателей и анализ их работы методом гидродинамической теории смазки.
реферат [114,5 K], добавлен 15.04.2011Экологические проблемы и влияние жизнедеятельности человека на атмосферу и гидросферу Земли. Дисперсные системы. Атмосферные аэрозоли, классификация и размер. Характеристика частиц дисперсной фазы. Газокинетические процессы в дисперсной системе.
дипломная работа [939,8 K], добавлен 12.10.2008Изучение теплопроводности как физической величины, определяющей показатель переноса тепла структурными частицами вещества в процессе теплового движения. Способы переноса тепла: конвекция, излучение, радиация. Параметры теплопроводности жидкостей и газов.
курсовая работа [60,5 K], добавлен 01.12.2010Состав и марки технических сжиженных углеводородных газов, применяемых в газоснабжении. Свойства, достоинства и недостатки сжиженных газов, их хранение и использование. Одоризация смеси газов и жидкостей. Диаграммы состояния СУГ. Пересчёт состава смесей.
реферат [201,1 K], добавлен 11.07.2015Характеристика процесса формирования пространственных структур в зоне смешивания двух взаиморастворимых жидкостей, натекающих друг на друга. Исследование роли свободной конвекции в организации тепломассопереноса в разнообразных технических устройствах.
контрольная работа [8,0 M], добавлен 12.11.2014Роль одномерного анализа при решении технических задач. Уравнения Бернулли для идеальной и реальной жидкостей. Выражение скорости звука через термодинамические параметры. Изоэнтропийное течение, критический расход. Сопло Лаваля и принцип его действия.
реферат [962,8 K], добавлен 07.01.2014Исследование структурных свойств воды при быстром переохлаждении. Разработка алгоритмов моделирования молекулярной динамики воды на основе модельного mW-потенциала. Расчет температурной зависимости поверхностного натяжения капель воды водяного пара.
дипломная работа [1,8 M], добавлен 09.06.2013Квантовый перенос в мезоскопических системах. Рассеяние на примесных атомах. Резонансное туннелирование электронов. Электрон-фононное рассеяние. Рассеяние на шероховатостях границы раздела. Межподзонное рассеяние. Эффект всплеска дрейфовой скорости.
контрольная работа [2,4 M], добавлен 26.08.2015Переписывание уравнений в терминах максимальной капли. Соотношения интегральных моментов функции распределения. Нахождение автомодельной функции распределения. Нормировка функции распределения. Предельный случай-распределение Лифшица-Слёзова.
курсовая работа [413,1 K], добавлен 24.07.2008Исследование особенностей деформации микрокапель прямых и обратных эмульсий в магнитных и электрических полях. Изучение указанных явлений с помощью экспериментальной установки (катушек Гельмгольца), создавая переменные и постоянные магнитные поля.
лабораторная работа [1,0 M], добавлен 26.08.2009Исследование физической природы шаровой молнии, состав её энергии. Описание хода светового луча в капле дождя и определение условий возникновения радуги. Природа чередования цветов в радуге и влияние размера капель на её спектр. Верхние и нижние миражи.
курсовая работа [3,7 M], добавлен 12.02.2014Кинетика горения. Влияние влажности на горение капли углеводородных топлив. Критическое условие воспламенения капли и его зависимость. Метод Зельдовича. Гистерезис горения. Срыв пламени. Горение в потоке воздуха. Естественная и вынужденная конвекция.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 28.03.2008Сущность метода Стокса по определению коэффициента вязкости. Определение сил, действующих на шарик при его движении в жидкости. Оценка зависимости коэффициента внутреннего трения жидкостей от температуры. Изучение ламинарных и турбулентных течений.
лабораторная работа [1001,4 K], добавлен 15.10.2010Сущность и характерные особенности поверхностного натяжения жидкости. Теоретическое обоснование различных методов измерения коэффициента поверхностного натяжения по методу отрыва капель. Описание устройства, принцип действия и назначение сталагмометра.
реферат [177,1 K], добавлен 06.03.2010Химическая природа пигментов и оптических свойствах краски. Влияние дисперсности па оптические свойства пигментов. Спектрофотометрические кривые. Диспергирование в масляной среде, а также взаимосвязь оптических и структурных свойств красочного слоя.
дипломная работа [503,1 K], добавлен 14.05.2014Физические принципы образования росы. Условия и причины появления инея. Дождь как конденсация огромного количества мельчайших капель и быстрое их укрупнение и выпадение в процессе переноса воздушных масс. Роль низкой температуры в появлении снега.
презентация [3,4 M], добавлен 27.11.2011Равномерное и ускоренное движение. Движение под углом к горизонту. Движение тела, брошенного горизонтально. Сила всемирного тяготения, криволинейное движение. Механика жидкостей и газов, электромагнитные колебания, молекулярно-кинетическая теория.
краткое изложение [135,9 K], добавлен 18.04.2010
