Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 [ 26 ] 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182

Рис. 1.22. Эпюра давления в поперечном сечении турбулентного потока с учетом его саморегулирования в переходной зоне с помощью вихревого движения. Обозначения см. рис. 1.20

С ростом перепада давления между турбулентным ядром и зоной ламинарного потока интенсивность вихрей, перемещающихся совместно с потоком, увеличивается, что обеспечивает большее поле вихревого давления. Итак, за счет вихреобразова-ния удается урегулировать более высокие давления в зоне турбулентного потока с менее высокими в зоне ламинарного потока. С увеличением возмущающей нагрузки и степени турбулизации потока интенсивность вихреобразования растет (рис. 1.22).

На рис. 1.22 показана эпюра давления для турбулентного режима с учетом его саморегулирования по поперечному сечению потока с помощью образующихся вихрей. Значение давления в поперечном сечении определяется направлением потока на третьей стадии развития движения, фазе развития турбулентного потока (рис. 1.23). Давление в ядре турбулентного потока постоянно так же, как и вязкость жидкости. В связи с этим средняя скорость, при которой будет соблюдаться постоянство вязкости и давления, тоже должна быть постоянна

Vядр =

const;

(1.118)

M ядр = M кр2= M min= const.

(1.119)

Рис. 1.23. Принципиальная схема направления скоростей потока на третьей стадии развития движения (область турбулентного потока)

Необходимо отметить, что при переходе от второй фазы развития движения (фаза ламинарного потока) к третьей фазе (фаза турбулентного потока) качественно меняется характер взаимодействия соседних слоев жидкости при смещении относительно друг друга. Если для ламинарной области характерна линейная зависимость силы трения от скорости, то для турбулентной области она нарушается. Дело в том, что взаимодействие элементарных объемов жидкости при больших скоростях движения относительно друг друга носит дискретный характер. Именно такой характер сил трения обеспечивает минимальную работу, необходимую для транспортировки единицы объема при заданных внешних условиях, к минимизации которой стремится любая движущаяся система. Поясним это на примере.

Тело, движущееся по гладкой поверхности при определенной скорости, начинает периодически подпрыгивать и часть пути проходить вне взаимодействия с поверхностью. Аналогичный эффект наблюдается и в жидкостях, что проявляется в возникновении пульсирующих скоростей в переходной области. При накапливании, аккумулировании энергии в одном слое жидкости он имеет возможность проскочить относительно другого, а затем, отдав энергию, затормозиться и пропустить относительно себя соседние слои и опять накопить энергию для последующей пульсации.

Пульсация в переходной области наблюдается также за счет осевого перемещения вихрей вдоль оси потока. Если интенсивность вихря с удалением от его центра и периферии изменяется, то и скорости в продольном и поперечном направлениях потока также меняются, т.е. наблюдается пульсация скоростей. С интенсификацией турбулизации растет неоднородность вихрей и увеличивается различие между максимальной и минимальной скоростями в переходной области.

В ядре турбулентного потока, по-видимому, пульсации скоростей не возникнет из-за наличия градиентов скорости в поперечном сечении потока, близких к нулю, и отсутствия смещения одного слоя жидкости относительно другого.

Эпюра давления для третьей фазы развития движения, фазы турбулентного потока представлена на рис. 1.24, а. В переходной области она имеет точку перегиба, обусловленную вихревым движением, при котором в вихре ближайшие к зоне ламинарного потока слои движутся в восходящем потоке, а ближе к зоне турбулентного ядра - в нисходящем (рис. 1.24, б). Необходимо заметить, что сами вихри перемещаются в направлении движения потока с соответствующими скоростями. На рис. 1.24, в показана эпюра распределения вязкости по поперечному сечению потока, а

Рис. 1.24. Эпюры давления (а), возмущающего момента Мв или момента сил сопротивления Мс (б), вязкости ц (в) и силы трения Fтр (г), равной тангенсу

угла наклона эпюры моментов к поперечной оси симметрии потока Fтр = tg ф по сечению турбулентного потока

на рис. 1.24, г - сил трения. Для третьей стадии развития движения характерно наличие четырех принципиально различных областей потока. Область деформации сменяется областью ламинарного потока, которая переходит через переходную зону в зону турбулентного режима.

Потери напора на третьей стадии развития движения определяются суммой напора в области деформации, ламинарного, переходного и турбулентного потоков. При изменении внешних факторов характер и мощность различных областей могут меняться. С увеличением температуры среды вязкость жидкости до критических значений уменьшается быстрее. Также уменьшаются и скорости потока, которым соответствуют значения критической вязкости. В этой связи переход от фазы деформации к фазе ламинарного потока, от фазы ламинарного потока к переходной базе и к фазе турбулентного потока для более высоких температур осуществляется быстрее, чем для более низких.

При увеличении внешней нагрузки от р1 до р3 потери напора при движении возрастают за счет развития турбулентного ядра (от гяд,1 до гяд,3) течения от оси к периферии потока и увеличения угла трения в ядре по сравнению с областью ламинарного потока и зоной деформации (рис. 1.25). Потери напора при турбулентном режиме легко найти, если известны площадь турбулентного ядра и толщина ламинарного подслоя.