Процессы гидродинамики

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Процессы гидродинамики

Cтраница 1

Гидродинамические процессы, характерные для всего комплекса нефтедобычи — РѕС‚ движения нефти РІ пласте РґРѕ ее течения РїРѕ трубопроводам Рє потребителю, крайне сложны.

Р’ некоторых случаях РјС‹ РЅРµ только РЅРµ можем решить соответствующие уравнения даже РЅР° лучших РёР· имеющихся Р­Р’Рњ, РЅРѕ, что еще хуже, современное знание этих процессов недостаточно даже для постановки математических задач. Р’ этих условиях очень важную роль играет применение анализа размерностей Рё теории РїРѕРґРѕР±РёСЏ, основанного РЅР° фундаментальном положении: физические законы РЅРµ должны зависеть РѕС‚ имеющегося произвола РІ выборе единиц измерения физических величин.  [1]

Гидродинамические процессы включают перемещение жидкостей, разделение суспензий, перемешивание.

Для перемещения жидких реагентов и промежуточных продуктов используют различные насосы: поршневые, центробежные, струйные и др.

Суспензии разделяют отстаиванием, фильтрованием.  [2]

Гидродинамические процессы РІ сварочной ванне оценивают РІ установившемся состоянии, РєРѕРіРґР° форму сварочной ванны можно считать РЅРµ изменяющейся, Р° ее стенки — проницаемыми для жидкости. РќР° фронте плавления жидкость втекает РІ сварочную ванну, поверхность которой деформируется РїРѕРґ действием давления источника теплоты, РЅР° фронте кристаллизации — вытекает.  [3]

Гидродинамические процессы здесь РЅРµ рассматриваются, хотя, вообще РіРѕРІРѕСЂСЏ, РѕРЅРё РјРѕРіСѓС‚ играть определенную роль РІ движущейся плазме.  [4]

Установившиеся гидродинамические процессы РІ камере вихревого усилителя РІ общем случае определяются факторами, которые можно разделить РЅР° три РіСЂСѓРїРїС‹.  [5]

Гидродинамические процессы смешения стока с водой водоема во многом определяют интенсивность само-очищения, так как понижают концентрацию загрязнений.

К числу физических факторов самоочищения относятся также процессы осаждения нерастворимых примесей, поступающих в водоем со сточными водами.

Физические явления осаждения тесно связаны СЃ жизнедеятельностью гидробионтов — фильтраторов Рё седиментаторов.

РћРЅРё извлекают РёР· РІРѕРґС‹ огромные количества взвеси Рё выбрасывают непереваренный материал РІ РІРёРґРµ фекальных комочков, легко оседающих РЅР° РґРЅРѕ. Еще большее значение имеет процесс образования моллюсками псевдофекалий.  [6]

Основным гидродинамическим процессом, протекающим на ситчатых тарелках, является барботаж.

При постепенном увеличении скорости пара в отверстиях тарелок изменяются режимы барботажа. При малых скоростях движения пара имеет место пузырьковый режим.

Через слой жидкости РЅР° тарелке РїСЂРё этом режиме РїСЂРѕС…РѕРґСЏС‚ отдельные пузыри пара.  [7]

Хотя гидродинамические процессы, протекающие в пласте и скважине, относительно медленны, имеются ограничения длительности счета частоты.

Эти ограничения обусловливаются длительностью протекания наиболее скоротечной части переходной характеристики процесса.

Так, если РІ качестве определяющего Рё РёСЃС…РѕРґРЅРѕРіРѕ фактора взять время затухания притока РІ скважину после ее закрытия, лежащее РІ среднем РІ пределах 10 — 20 РјРёРЅ, или начальный участок РєСЂРёРІРѕР№ восстановления давления ( Рљ.  [8]

Поэтому гидродинамический процесс, происходящий РЅР° тарелках, можно рассматривать независимо РѕС‚ РІРёРґР° тарелок.  [10]

Рассмотрим теперь гидродинамические процессы РІ смеси классических жидкостей, ограничившись случаем, РєРѕРіРґР° РІ системе РЅРµ РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґСЏС‚ химические реакции Рё РЅРµ возбуждаются внутренние степени СЃРІРѕР±РѕРґС‹ молекул.  [11]

Однако основные гидродинамические процессы, протекающие РІ горизонтальных механических абсорберах: увлечение жидкости рабочими органами Рё диспергирование жидкости, еще мало изучены.  [12]

Скорость гидродинамических процессов определяется законами механики Рё гидродинамики.  [13]

Параметры гидродинамического процесса РЅРµ должны зависеть РѕС‚ атмосферного давления.  [14]

Моделирование гидродинамического процесса РІ пласте электрическими моделями основывается РЅР° аналогии между гидродинамическими Рё электрическими процессами, которые протекают хотя Рё РІ различных размерных Рё временных масштабах, РЅРѕ имеют подобные уравнения, описывающие РѕР±Рµ системы.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Источник: https://www.ngpedia.ru/id346037p1.html

2. Гидродинамика и ГиДродинамические процессы

Процессы гидродинамики

Вгидромеханике принято объединятьжидкости, газы и пары под одним названием– жидкости. Это связано с тем, что законыдвижения жидкостей и газов (паров)одинаковы, если их скорости значительнониже скорости звука. Жидкостяминазываются все вещества, обладающиетекучестью при приложении к ним самыхнезначительных сил сдвига.

При выводеосновных закономерностей в гидромеханикетакже вводится понятие идеальнойжидкости, которая, в отличие от реальной(вязкой) жидкости, абсолютно несжимаемапод действием давления, не изменяетплотности при изменении температуры ине обладает вязкостью.

Масса жидкости,содержащаяся в единице объема V,представляет собойплотностьтела

.

Величина,обратная плотности и представляющаясобой объем, занимаемый единицей массы,называется удельным объемом:

.

Вес единицыобъема жидкости называется удельнымвесом:

.

Удельный весжидкости и её плотность связанысоотношением

.

Плотность,удельный объем и удельный вес относятсяк важнейшим характеристикам жидкостей.

Реальныежидкости делятся на капельные и упругие.Капельныежидкостинесжимаемы и обладают малым коэффициентомобъемного расширения. Объем упругихжидкостейизменяется при изменении температурыи давления (газы, пары). Вбольшинстве технических задач газыполагают идеальными. Состояние идеальногогаза описывается уравнениемКлапейрона-Менделеева

,

где – универсальная газовая постоянная,равная 8314 Дж/(кмоль·К).

Этоуравнение можно записать для расчетаплотности газа

.

Вряде задач необходимо учитывать такжесостояние жидкостей. Для изоэнтропийныхпроцессов в жидкости можно применятьуравнение Тета

,

где–давление молекулярного взаимодействия;nкоэффициент,зависящий от свойств жидкостей. Дляводы 3,2108Па, n7,15.

Взависимости от температуры и давлениявещество может находиться в трехагрегатных состояниях: твердом, жидкоми газообразном. В твердых телах молекулывзаимосвязаны между собой, расположеныв определенном порядке и совершаюттолько тепловое колебательное движение.Вероятность покинуть занимаемоемолекулой (атомом) место мала. Поэтомутвердые тела сохраняют заданную формуи объем.

Вжидкостях тепловое движение молекулсущественно выше, часть молекул получаетдостаточную энергию возбуждения ипокидает свои места. Поэтому в жидкостимолекулы перемещаются по всему объему,но их кинетическая энергия остаетсянедостаточной для выхода за пределыжидкости. В этой связи жидкости сохраняютсвой объем.

Вгазах тепловое движение еще больше,молекулы удалены настолько, чтовзаимодействие между ними становитсянедостаточным для удержания наопределенном удалении, т.е. газ имеетвозможность беспредельно расширяться.

Свободноеперемешивание молекул в жидкостях игазах приводит к тому, что они изменяютсвою форму при приложении сколь угодномалого силового действия. Это явлениеназывают текучестью.Жидкости и газы принимают форму тогососуда, в котором они содержатся.

Врезультате хаотического движениямолекулы в газе претерпевают столкновения.Процесс столкновения молекулхарактеризуется эффективным диаметроммолекул, под которым понимаетсяминимальное расстояние между центрамимолекул при их сближении. Расстояние,которое молекула проходит междустолкновениями, называется свободнымпробегом молекулы.

Врезультате переноса количества движенияпри переходе молекул, движущихся в слояхс разными скоростями, возникаеткасательная сила, действующая междуэтими слоями. Свойство жидкости и газасопротивляться сдвигающим усилиямназывают вязкостью.

Расположимв жидкой среде пластину 1 на некоторомрасстоянии от стенки (рис. 2.1).

Пустьпластина движется относительно стенки2 со скоростью w.Таккак жидкость будет увлекаться пластиной,то в зазоре установится послойноетечение жидкости со скоростями,изменяющимися от 0 до w.Выделим в жидкости слой толщиной dy.Очевидно, что скорости нижней и верхнейповерхностей слоя будут отличаться потолщине на dw.

В результате теплового движения молекулынепрерывно переходят из нижнего слояв верхний и обратно. Так как их скоростиразличны, то их количества движениятоже различны. Но, переходя из слоя вслой, они должны принимать количестводвижения, характерное данному слою,т.е.

будет иметь место непрерывноеизменение количества движения, от чегопоявится касательная сила между слоями.

Обозначимчерез dTкасательную силу, действующую наповерхность слоя площадью dF,тогда

.

Опытпоказывает, что касательная сила Т,которую надо приложить для сдвига, тембольше, чем больше градиент скорости ,характеризующий изменение скорости,приходящейся на единицу расстояния понормали между слоями. Кроме того, силаТпропорциональна площади соприкосновенияFслоев, т.е.

.

Втакой форме уравнение выражает законвнутреннего трения Ньютона,согласно которому напряжениевнутреннего трения, возникающее междуслоями жидкости при ее течении, прямопропорционально градиенту скорости.

Знакминус в правой части уравнения указываетна то, что касательное напряжениетормозит слой, движущийся с относительнобольшой скоростью.

Коэффициентпропорциональности в приведенных уравнениях называетсядинамическимкоэффициентом вязкости.

Размерностьдинамического коэффициента вязкостив СИ может быть выражена как

Вязкостьжидкостей также можно характеризоватькинематическим коэффициентом вязкости

.

Вязкостькапельных жидкостей снижается свозрастанием температуры, газов –растет. При умеренном давлении вязкостьгазов от давления не зависит, однако,начиная с некоторого давления, вязкостьвозрастает при его увеличении.

Причиныразных зависимостей от температуры длягазов и жидкостей в том, что вязкостьгазов имеет молекулярно-кинетическуюприроду, а капельных жидкостей зависитот сил сцепления между молекулами.

Вряде процессов химической технологиикапельная жидкость при движениисоприкасается с газом (или паром) или сдругой капельной жидкостью, практическине смешивающейся с первой.

Силовоевзаимодействие молекул, которые находятсяна поверхности жидкости, и молекул,расположенных вдали от нее, неодинаково.

Молекула, расположенная на поверхности,находится в симметричном силовомсостоянии, верхняя часть силового поляее вынуждена взаимодействовать смолекулами, находящимися под поверхностью.

В результате этого потенциальная энергиясвязи в поверхностном слое увеличивается,а сам слой находится в более напряженномсостоянии. Это явление называютповерхностнымнатяжением.

Потенциальнаяэнергия связи в поверхностном слое

,

гдекоэффициентповерхностного натяжения; dFпредставляетсобой поверхность жидкости, имеющейпорядок dl2.

ЭнергиюdEможно представить как некоторую силу,совершающую работу на пути dl,поэтому

,

или

.

Такимобразом, поверхность жидкости стягиваетсясилой dZпропорциональной длине, на которой онадействует. Эту силу называют силойповерхностного натяжения.

Поверхностноенатяжение проявляется в том, чтовыделенный объем жидкости стремитсяпринять сферическую форму, особенноэто заметно на малых объемах –каплях. Действие силы поверхностногонатяжения приводит к увеличению давлениявнутри капли, направленного внутрьжидкости по нормали к ее поверхности.

Поверхностноенатяжение уменьшается с увеличениемтемпературы. С величиной связаны характеристики смачиваниякапельными жидкостями твердых материалов.Смачивание оказывает существенноевлияние на гидродинамические условияпротекания процессов в абсорбционныхи ректификационных аппаратах, конденсаторахи т.п.

Поверхностноенатяжение значительно влияет надиспергирование одной жидкости в другой,с ней не смешивающейся, и поэтомусущественно сказывается на гидродинамическихусловиях проведения процессов жидкостнойэкстракции.

Источник: https://studfile.net/preview/5866772/page:7/

Иванов Г.Н. Гидравлика и теплотехника — файл n1.doc

Процессы гидродинамики
приобрести
Иванов Г.Н. Гидравлика и теплотехника
скачать (1089.7 kb.)Доступные файлы (11):
2. ГИДРОДИНАМИКА И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫГидродинамика изучает движение несжимаемых жидкостей и взаимодействие их с твердыми телами.

Методами гидродинамики можно также исследовать движение газов, если скорость этого движения значительно меньше скорости звука в рассматриваемом газе. При скорости движения газа, близкой к скорости звука, начинает играть заметную роль сжимаемость газа, и методы гидродинамики уже не применимы. Такое движение газа изучается в газовой динамике.

В гидродинамике применяют основные законы и методы механики. Особо важное значение имеют законы сохранения массы, импульса и энергии. Главными свойствами жидкости с точки зрения гидродинамики являются: ее легкая подвижность, или текучесть, выражающаяся в малом сопротивлении жидкости деформациям сдвига, и сплошность (непрерывная, однородная среда).

Кроме того, в гидродинамике принимается, что жидкости не сопротивляются растяжению. Применяя общие законы механики и учитывая свойства жидкостей, получают решение, позволяющее определить скорость, давление и касательное напряжение в любой точке жидкости. Это дает возможность рассчитывать и силы взаимодействия между жидкостью и твердым телом.

К гидродинамическим процессам относятся перемещение жидкостей и газов, разделение неоднородных систем, перемешивание.

2.1. Основные уравнения движения жидкости. Уравнение неразрывности

Закон сохранения массы представляется для потоков жидкости или газа в виде уравнения неразрывности (сплошности). Уравнение неразрывности потока носит также название уравнения постоянства расхода.

Л Рис. 2.1. Трубка тока

инией тока

называется такая линия, в каждой точке которой касательная к ней совпадает по направлению со скоростью частицы жидкости в данный момент времени (рис. 2.1). Совокупность линий тока, проведенных через все точки контура элементарного сечения, называется трубкой тока. Часть потока, заключенная внутри трубки тока, называется элементарной струйкой. Поток жидкости мысленно можно представить как совокупность бесчисленного множества элементарных струек. Элементарная струйка обладает следующими свойствами:

1) в данный момент времени во всех точках ее сечения скорости жидкости можно считать одинаковыми ввиду малости сечения; 2) стенки элементарной струйки непроницаемы, так как в каждой точке стенки вектор скорости к ней касателен; 3) стенки элементарной струйки не деформируемы, так как деформация стенок означала бы непрерывное обновление линий тока, образующих стенку элементарной струйки. Из закона сохранения вещества и свойств элементарной струйки (непроницаемость и недеформируемость стенок) следует, что при отсутствии разрывов в жидкости массовый расход в данный момент времени во всех живых сечениях один и тот же:

dM1 = dM2 = dM3 = const. (2.1)

Отсюда следует уравнение неразрывности:

. (2.2)

Это уравнение может быть обобщено для потока конечных размеров, если его стенки тоже недеформируемые. Для потока имеем M1 = M2 или
. (2.3)
Для несжимаемой жидкости () уравнение неразрывности потока упрощается:
(2.4)
где Q – расход жидкости, м3/с. Уравнение расхода для трубопроводов круглого сечения удобно применять в форме

(2.5)

где d – диаметр трубы, м. Из уравнения неразрывности следует

, (2.6)

т.е. средние скорости потока обратно пропорциональны площадям сечений. 2.1.1. Дифференциальные уравнения движения жидкости

Все жидкости являются вязкими. Но для упрощения примем модель невязкой жидкости (рис. 2.2). Это означает, что силами вязкого трения пренебрегаем.

Рассмотрим движение элементарного объема жидкости в виде параллелепипеда объемом dV = dxdydz.

Будем полагать, что: 1) поверхностные силы представлены только силой давления; 2 Рис. 2.2. Моделирование невязкой жидкости

) градиенты давления по всем координатам положительны, т. е. давление растет при перемещении вправо, к нам и вверх.

Обозначим суммарную массовую силу dF, силу давления dP и напишем для объема dV второй закон Ньютона:

(2.7) или в проекциях:

(2.8)

Имеем

(2.9)

Здесь Р1 – давление на левой грани.

Обозначим – проекция единичной силы (силы, действующей на единицу массы).

(2.10)Подставим написанные выражения (2.9) и (2.10) в уравнения по закону Ньютона (2.8):

(2.11)

После сокращения на dm получим дифференциальные уравнения движения невязкой жидкости (уравнения Эйлера).

или (2.12)

Уравнения движения вязкой жидкости содержат дополнительный вязкий член и называются уравнениями Навье-Стокса. Для несжимаемой жидкости они имеют вид

или (2.13)

Уравнения движения жидкости Навье-Стокса совместно с уравнением неразрывности в принципе дают возможность решить основную задачу гидродинамики – определить поля скоростей и давления в жидкости, движущейся над действием заданных внешних сил. Однако решение очень сложное, так как трудно определить граничные условия в неустановившемся потоке вязкой жидкости. Решение уравнений движения Навье-Стокса получено только для некоторых простейших случаев одномерного или двумерного потока. Например, одномерный поток – течение вязкой жидкости по прямой трубе (задача Пуазейля). Следует отметить также, что уравнения Навье-Стокса не отражают достаточно полно такие свойства жидкости, которые оказываются существенными для турбулентных потоков (турбулентные потоки характеризуются нерегулярным, пульсационным полем скоростей отдельных частиц жидкости). В практических случаях приходится упрощать задачи путем отбрасывания в уравнениях членов, которые в данных условиях имеют менее существенное значение для определения характера течения.2.1.2. Уравнение БернуллиВ гидродинамике идеальной жидкости особенно важное значение имеет уравнение Бернулли. Для вывода уравнения Бернулли проинтегрируем уравнение Эйлера (2.12) для случая, когда из массовых сил имеем только силу тяжести, т. е. X = 0; Y = 0; Z = — g. Умножим обе части уравнений соответственно на dx, dy и dz и сложим:

(2.14)

Но поэтому левая часть уравнения примет вид

(2.15)

В правой части выражение в скобках представляет собой полный дифференциал давления.

(2.16)

(2.17)Интегрируя это выражение вдоль элементарной струйки, получим уравнение Бернулли для элементарной струйки невязкой жидкости.

(2.18)

Каждый член уравнения имеет размерность квадрата скорости и является составляющей удельной (отнесенной к единице массы) механической энергии невязкой жидкости в любом сечении элементарной струйки. Следовательно, это уравнение представляет собой своеобразную запись закона сохранения механической энергии вдоль элементарной струйки при отсутствии сил трения. Уравнение Бернулли записывается и в другой форме. Умножим (2.18) на :

(2.19)

В этой записи каждый член имеет размерность давления и представляет собой удельную энергию единицы объема, Pп называется полным давлением.

Величина – удельная кинетическая энергия, называется динамическим давлением, величина – удельная потенциальная энергия силы тяжести, называется весовым давлением.

Чаще будем использовать третью форму записи, разделим исходное уравнение (2.18) на g:

(2.20)

Здесь каждый член имеет линейную размерность и представляет собой удельную энергию единицы веса жидкости.

Величина (удельная кинетическая энергия) называется скоростным напором (или динамическим); (удельная энергия сил давления) – пьезометрическим напором; (удельная энергия сил тяжести) – геометрическим (или геодезическим) напором.

Сумма представляет собой статический напор, а сумма всех напоров – полный напор жидкости в данном сечении.

2.1.3. Уравнение Бернулли для потока невязкой жидкостиВ различных точках сечения потока, имеющего конечные размеры, значения скорости U, давления p и высоты уровня Z будут различны. Следовательно, каждая элементарная струйка будет иметь свое уравнение. А для того чтобы написать уравнение Бернулли для всего потока в целом, каждый член уравнения нужно усреднить.

Скорость потока можно охарактеризовать средней скоростью по сечению Uср.

Но среднее значение, например динамического давления по сечению, будет больше, чем рассчитанное по средней скорости . При записи уравнения Бернулли для потока это учитывается введением поправочного коэффициента >1, называемого коэффициентом кинетической энергии потока:

(2.21)

За среднее значение статического давления (напора) принято считать его значение в центре тяжести сечения.

(2.22)

Следовательно, уравнение Бернулли для потока записывается в виде

(2.23)

или в напорах

(2.24)

Для ламинарного потока  = 2. Для турбулентного потока, с которым преимущественно имеет дело техника, значение  незначительно отличается от единицы:  = 1,1 1,15. Поэтому часто принимают  = 1. Индексы «ср» и «цт» обычно не записывают, а лишь подразумевают. Таким образом, уравнение Бернулли для потока формально записывается так же, как для элементарной струйки. Но при этом следует иметь в виду упомянутые условности. Уравнение Бернулли часто записывается для двух сечений потока:

(2.25)

Примеры, иллюстрирующие принцип Бернулли Уравнение Бернулли связывает скорость и давление в потоке: рост скорости приводит к падению давления. Этот принцип используется на практике.

1

струйного насоса

. Работа струйного насоса (рис. 2.3). Через активное сопло рабочая жидкость с большой скоростью подается в камеру смешения. В сечении 2-2 этой камеры создается пониженное давление Р2 < Р1 ввиду роста скорости до v2; р1 – давление в сечении 1-1.

Разность давлений р1 – р2 заставляет жидкость перемещаться по трубе Т из емкости Е, оттуда – вместе с рабочей жидкостью – в нагнетательную трубу Н.

Струйные насосы носят различные названия: инжектор (при нагнетании жидкости), эжектор (при отсасывании жидкости), гидроэлеватор (при подъеме жидкости на высоту).

Они применяются также в качестве вакуум-насосов, создающих разрежение в газах.

2. Эффект Магнуса. При обтекании вращающегося тела потоком жидкости возникает поперечная сила, направленная перпендикулярно к потоку. Это явление называется эффектом Магнуса, который объясняется с помощью принципа Бернулли.

В Рис. 2.4. Иллюстрация эффекта Магнуса

точке 1 скорость жидкости увеличивается за счет увеличения вращающегося тела ( рис. 2.

4), а в точке 2 уменьшается по той же причине, следовательно, Р1U2, поэтому, в соответствии с принципом Бернулли, р1 U2 – теоретическая скорость в сечении 2, полученная без учета гидравлического сопротивления и дополнительного сужения потока (при использовании диафрагмы S2 < S0). Эти факторы учитываются поправочным коэффициентом  < 1.

Тогда уравнение для расхода

(2.34)

где  = – коэффициент расхода дроссельного расходомера.

Здесь S0 – площадь отверстия (или узкого сечения) сужающего устройства. Коэффициент расхода  зависит от m = S0/S1. Значения  приведены в справочниках.

2.2. Гидродинамическая структура потоковПотоком называется масса движущейся жидкости, направляемая твердыми стенками. Потоки делятся на два вида: напорные и безнапорные. Напорными называются потоки, у которых все поверхности вдоль потока соприкасаются с твердыми стенками, ограничивающими поперечные сечения этого потока.

Безнапорными называются потоки, у которых одна из поверхностей (верхняя), простирающаяся вдоль течения, соприкасается с газообразной средой и подвергается давлению этой среды. Эту поверхность называют свободной поверхностью. Она может изменять свое положение в пространстве при изменении расхода.

Примером напорного потока может служить поток в трубах водоснабжения, а свободного потока – речной поток.

Поток жидкости конечных размеров, не ограниченный твердыми стенками, называется струей жидкости. Струю, вытекающую в жидкую среду, называют затопленной, а в газообразную – незатопленной.

Живое сечение – это поверхность в пределах потока, во всех точках нормальная к направлению скорости жидкости.

Смоченный периметр – часть контура живого сечения, по которой поток соприкасается с твердыми стенками ().

Гидравлический радиус потока – отношение площади живого сечения к смоченному периметру:

(2.35)

Эквивалентный диаметр равен учетверенному гидравлическому радиусу:

(2.36)

Для потока, заполняющего круглую трубу диаметром d,Для потока прямоугольного сечения со сторонами h и В 2. ГИДРОДИНАМИКА И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Источник: https://nashaucheba.ru/v50987/%D0%B8%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%B2_%D0%B3.%D0%BD._%D0%B3%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B8%D0%BA%D0%B0_%D0%B8_%D1%82%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0

Процессы гидродинамики

Процессы гидродинамики

При процессах с химическими технологиями, принято выделять те, которые связаны с перемещением газов, жидкостей или других рабочих неагрессивных сред по трубопроводным системам. В этот момент происходит образование или разделение гетерогенных систем. Подобные системы состоят из:

  • отстаивания;
  • перемешивания;
  • фильтрования;
  • диспергирования.

Рисунок 1. Гидродинамика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Во всех подобных процессах роль играет скорость, а она определяется известными законами гидромеханики. Иными словами исследователи имеют дело с гидромеханическими процессами.

Уравнения движения жидкостей

Определение 1

Наука, которая изучает законы равновесия и движения различных жидкостей, называется гидравликой.

Теоретическая гидромеханика направлена на создание сложного и многогранного математического исследования и построения моделей.

Гидравлика имеет другие характеристики и предстает в виде технической науки, где при решении поставленных задач принято использовать предположения и допущения. Это делает процесс изучения различных гидродинамических явлений проще.

Иногда для изучения гидродинамических явлений используется анализ одномерного движения. Из-за этого все решения, связанные с гидравликой, имеют весьма приблизительный характер.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Часто выводы о тех или иных закономерностях изучаемых процессов делаются на основании результатов лабораторных и натурных исследований и экспериментов. Гидравлика практически в полном виде состоит из многообразия различных экспериментальных зависимостей.

Решение задач гидравлики строится на основании и оценочному суждению лишь основных характеристик изучаемых явлений. Часто входит в необходимость оперировать некоторыми усредненными показателями и величинами.

Они могут дать достаточно надежную характеристику для всестороннего рассмотрения явления. Это обычно используется для решения технических задач гидродинамики.

Из-за этого к гидравлике приклеилось неофициальное название технической или прикладной гидромеханики.

Гидравлика и ее разделы

Гидравлику принято делить на две основные категории:

  • гидростатику;
  • гидродинамику.

Гидростатика рассматривает законы равновесия жидкостей в состоянии покоя. Для гидродинамики характерно рассмотрение процессов в движении. Для подобных процессов действуют законы движения жидкостей.

В указанных разделах физики все жидкости, газы и пары принято именовать одинаково – жидкостями. Это необходимо для удобства вычислений и составления математических моделей рассматриваемых процессов.

Жидкости в этом контексте взаимодействуют при таких скоростях потоках, которые оказываются меньше скорости распространения звуковых волн. В то же время все законы движения скоростей остаются справедливыми для паров и газов без существенных поправок. В гидравлике под жидкостями понимают все вещества, которые обладают свойствами текучести.

В процессе вывода основных законов гидромеханики активно используют понятие идеальной жидкости.

Под ней в широком смысле слова принято понимать абсолютно несжимаемую жидкость, которая не способна изменить свою плотность под воздействием дополнительных внешних факторов. Ими могут быть температура и давление.

Также идеальная жидкость не обладает свойствами вязкости. Иные технические характеристики показывает реальная жидкость.

Реальные жидкости можно разделить на капельные и упругие жидкости. Под упругими обычно имеют в виду пары или газы. Жидкости капельного типа считают в максимальной степени не подверженными сжиманию, так как они обладают относительно малым коэффициентом объемного расширения.

Физические свойства жидкостей и газов

Рисунок 2. Уравнение Навье-Стокса. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

При решении технических задач полагаются на использование идеальных жидкостей. Оно описывается уравнением Клапейрона-Менделеева. Установлено, что вещества могут находиться в разных агрегатных состояниях, исходя их температурного воздействия, а также давления.

В твердых телах молекулярные связи тесно переплетены между собой и расположены в определенном порядке. В этот момент они способны совершать лишь тепловое колебательное движение.

В таком положении сверхмалые частицы не могут покинуть свое место, и твердые тела постоянно сохраняют объем и форму.

Тепловое движение в жидкостях отличается более активным поведением молекул. Часть из них получает достаточную энергию возбуждения и может покидать первоначальное место. В жидкостях молекулы способны перемещаться по всему объему, однако их кинетическая энергия не может выйти за определенные пределы жидкости, и также сохраняют свой объем.

Тепловое движение в газах еще на порядок выше. Молекулы в таком агрегатном состоянии могут отдаляться друг от друга на значительное расстояние, что взаимодействие между ними становится недостаточными для удержания на определенном отдалении. Газы имеют свойства беспредельно расширяться.

При свободном процессе перемешивания молекул в газах и жидкостях изменяется форма при приложении довольно малого силового действия. Иными словами происходит процесс текучести.

Помимо текучести различают вязкость вещества. Она достигается в результате переноса количества движения в процессе перехода молекул в разных слоях и скоростями. Подобная касательная сила начинает действовать между слоями. Реализуется возможность сопротивления жидкости и газа этим дополнительным усилиям.

Рисунок 3. Изменение физических свойств вещества. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Такое силовое взаимодействие между молекулами на поверхности жидкости и молекулами, которые расположены вдали от поверхности, происходит неравномерно. Молекула в положении на поверхности располагается в симметричном силовом состоянии, а в других частях силовое поле вынуждено взаимодействовать с молекулами под поверхностью. Возникает так называемое поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение уменьшается с увеличением температуры. Оно проявляется там, где молекулярные связи стремятся принять сферическую форму. Прежде всего, это будет заметно на небольших привычных объектах небольших объемов в виде капель.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/mehanika_sploshnyh_sred/processy_gidrodinamiki/

Материковая добыча нефти

Процессы гидродинамики

Наука о деформации и течении материалов называется реологией. Все жидкости делят на два класса: ньютоновские и неньютоновские.

Ньютоновские жидкости

Для ньютоновской жидкости существует линейная связь между касательным напряжением τ и градиентом скорости du/dr (некоторые авторы вместо градиента скорости используют скорость сдвига dγ/dt).

Рассмотрим схему течения Куэтта: жидкость находится между двумя пластинами, одна из которых неподвижна, другая — движется со скоростью U. Скорость движения определится как:

а градиент скорости:

где dx/dr характеризует сдвиг слоев жидкости или деформацию, которая может быть обозначена как:

Тогда градиент скорости запишется как:

т.е. градиент скорости есть суть скорость сдвига.

Таким образом, для ньютоновской жидкости запишем:

Зависимости касательных напряжений τ в функции градиента скорости (скорости сдвига) называют реологическими линиями, которые представлены на рисунке слева.

В достаточно широком диапазоне скоростей сдвига реологические линии неньютоновских жидкостей можно описать уравнением:

Это уравнение не может применяться для точных расчетов, но оказывается полезным во многих технических приложениях. Для ньютоновских жидкостей n = 1, а К → μ.

Неньютоновские жидкости

Вязкопластичные жидкости — тела Шведова-Бингама (Бингамовские пластики), течение которых описывается следующим законом:

Модель течения вязкопластичной жидкости можно записать в виде:

Закон Шведова-Бингама справедлив для глинистых буровых растворов, водонефтяных эмульсий, суспензий твердых частиц правильной округлой форм.

Псевдопластичные жидкости (угол наклона α для этих жидкостей изменяется от 0 до 45°). Часто при малых и больших градиентах скорости этот угол приближается к 45°, т.е. жидкость по своим свойствам приближается к ньютоновской.

Более точным законом для описания таких жидкостей будет следующее выражение:

Проанализируем изменение кажущейся вязкости в зависимости от градиента скорости и численного значения индекса течения. Так, при увеличении градиента скорости:

Последний случай характерен для псевдопластичных жидкостей: для растворов полимеров и других жидкостей с большими вытянутыми молекулами; для обычных и коллоидных суспензий с твердыми асимметричными частицами.

При малых скоростях сдвига молекулы или частицы таких систем «переплетены» друг с другом. При больших скоростях сдвига молекулы «подстраиваются» друг к другу, уменьшая кажущуюся вязкость. При очень малых скоростях сдвига влияние «переплетения» молекул невелико; при очень больших скоростях сдвига само «переплетение» мало.

Дилатантные жидкости (угол наклона α > 45°; n > 1). Под дилатантными (расширяющимися) жидкостями понимают суспензии, у которых жидкой фазы достаточно для заполнения пустот между твердыми частицами только в состоянии покоя или при очень низких скоростях сдвига. В этом случае жидкость практически ньютоновская.

Когда частицы твердой фазы начинают двигаться быстрее относительно друг друга, им требуется больший объем и система в целом расширяется, увеличивая объем пустот между частицами твердой фазы.

В этом случае объем жидкой фазы становится недостаточным для заполнения возросшего объема пустот между частицами и смазки движущихся частиц твердой фазы; кажущаяся вязкость в этом случае возрастает.

К дилатантным жидкостям относятся: суспензии крахмала, силиката калия и песка.

У некоторых неньютоновских жидкостей их характеристики зависят от времени. Для таких жидкостей при постоянной скорости сдвига касательные напряжения изменяются во времени (очень сложно изучать и описывать такие системы).

Реопектическая жидкость — жидкость, у которой при постоянной скорости сдвига касательные напряжения во времени растут.

Тиксотропная жидкость — жидкость, у которой при постоянной скорости сдвига касательные напряжения убывают.

Как правило, кажущиеся вязкости большинства неньютоновских жидкостей велики по сравнению с вязкостью воды.

Потери на трение в трубе круглого сечения

Соотношение для определения потери на рение в трубе круглого сечения в общем виде запишется как:

Вязкопластичные жидкости

Вязкопластичные жидкости, к которым, в первую очередь, относятся глинистые растворы и водонефтяные эмульсии, широко распространены в нефтепромысловой практике.

Глинистый раствор в ряде случаев используется в качестве жидкости глушения и в соответствии с моделью течения характеризуется динамическим напряжением сдвига τд и пластической вязкостью η, которые можно рассчитать по формулам Б.С. Филатова:

Различают два режима течения ВПЖ: структурный (ламинарный) и турбулентный.

Структурный (ламинарный) режим течения

Коэффициент гидравлических сопротивлений определится из соотношения:

Для вязкопластичных жидкостей вводится параметр пластичности В, характеризующий отношение сил инерции к силам пластичности:

Отношение параметра Re' к параметру пластичности В дает параметр Сен-Венана-Ильюшина:

Зависимость для определения коэффициента гидравлических сопротивлений справедлива при R* < (2 ÷ 3)·103.

Для значений R* отличных от (2 ÷ 3)·103 применяются следующие соотношения:

  • формула Р.И. Шищенко, при R* = 2500 ÷ 20000, d< 60 мм.
  • формула Р.И. Шищенко и К.А. Ибатулова, при R* = 2500 ÷ 40000, d = 141 ÷ 168 мм.

Критерием перехода структурного режима течения в турбулентный может служить значение критической скорости υкр, которое для круглой трубы записывается так:

Если фактическая скорость течения в трубе υф.т меньше критической υкр.т, то режим течения структурный; если — наоборот, то режим течения турбулентный.

Потери на трение для структурного режима можно рассчитать по следующей зависимости:

Турбулентный режим

Потери на трение рассчитываются по следующей формуле:

Потери на трение в кольцевом канале

Для расчета потерь давления на трение в кольцевом канале используется зависимость аналогичная определению потери давления в круглой трубе, только вместо внутреннего диаметра трубы d используется гидравлический диаметр (Dвн — dн):

Гидродинамические процессы. Осаждение. Основные гидродинамические параметры процесса осаждения

Процессы гидродинамики

Гидромеханические процессы.

В химической технологии широко распространены процессы, связанные с разделением жидкости газовых неоднородных систем. Выбор метода разделения зависит главным образом от размеров взвешенных частиц, разности плотности фаз (дисперсной и дисперсионной), от вязкости дисперсионной (сплошной) фазы.

Существуют следующие основные процессы гидромеханического разделения:

1). Осаждение (отстаивание)

2). Фильтрование

3). Центрифугирование

4). Мокрое разделение

Осаждение.

Осаждением называется процесс разделения, при котором взвешенные в жидкости или газе твердые частицы отделяются от сплошной фаза под действием сил тяжести, центробежных сил или сил инерции, электростатических сил.

Осаждение, происходящее под действием сил тяжести, называется отстаивание.

Сущность процесса отстаивания заключается в том, что суспензия или эмульсия пропускается через камеру, на дно, в которой под действием силы тяжести осаждаются частицы.

суспензия

осветленная жидкость

4

3

1

осадок

Схема процесса отстаивания:

1. осадок

2. сгущенная суспензия

3. зона свободного осаждения

4. осветленная фаза

При отстаивании суспензии различают свободное и стесненное осаждение.

Свободное осаждение имеет место при разделении малоконцентрированных суспензий. При этом частицы, находясь на большом расстоянии, друг от друга не оказывают взаимного влияния. Скорость осаждения при этом определяется по тем же уравнениям, которые были получены при осаждении одиночных частиц (см. лекцию, лаю. раб).

Стесненное осаждение имеет место при разделении концентрированных суспензий. Частиц настолько много, что при осаждении они касаются друг друга, что влияет на скорость их осаждения. Скорость более крупных частиц увеличивается, а мелких – замедляется.

При отстаивании необходимо соблюдать следующие требования:

1. Время пребывания tпр элементарного потока в аппарате должно быть больше или равно времени осаждения частиц , т.е. tпр tо.

2. Линейная скорость потока в аппарате должна быть значительно меньше. Чем скорость осаждения, т.е. .

Производительность отстойника всегда выражается в м3 осветленной жидкости.

За время осаждения t суспензия разделяется на слой сгущенной суспензии-осадка и на слой осветленной жидкости.

Количество осветленной жидкости (производительность):

, где — площадь осаждения (отстойника) или «зеркало» отстойника.

— скорость осаждения частиц.

Частица за время осаждения tо проходит путь h со скоростью осаждения , т.о.:

— время осаждения

Производительность отстойника зависит только от скорости осаждения и не зависит от высоты отстойника.

Аппаратное оформление процессов осаждения.

Процессы отстаивания проводят в аппаратах называемых отстойниками или сгустителями. В них разделяют суспензии, эмульсии, пыли, дымы.

Отстойник – это емкость или бассейн, в который подается подлежащая разделению среда.

Частицы осели – частицы осветлились. Это отстойник периодического действия.

Классификация отстойников.

По принципу разделения продукта отстойники различают:

а) для суспензий

б) для эмульсий

в) для пылей:

по режиму работы:

а) периодического действия.

б) непрерывного действия

в) полунепрерывного действия

г) одноярусные, многоярусные, двухярусные

24. Фильтрование. Схема процесса. Способы фильтрования

Фильтрование.

Фильтрование – это процесс разделения суспензии с помощью фильтровальной перегородки, способной пропускать жидкости или газ, но задерживать взвешенные в них твердые частицы. Осадок состоит из твердых частиц и дисперсионной среды, а фильтрат является чисто дисперсионной средой.

Аппараты для фильтрования дисперсных систем называются фильтрами.

Система процесса фильтрования:

Р1

hoc

Р2 3

1

осадок

осветленная жидкость

(фильтрат)

фильтровальная перегородка

Фильтр представляет собой сосуд с фильтровальной перегородкой, над которой находится суспензия. Под действием разности давлений по обе стороны фильтровальной перегородки, которая является движущей силой процесса фильтрования, и происходит процесс фильтрования.

Фильтровальная перегородка имеет отверстие, через которое протекает фильтрат, но задерживаются частицы дисперсной фазы, образующие слой осадка.

Различают:

1. фильтрование с образованием слоя осадка.

2. глубинные (с закупориванием пор).

3. промежуточное.

В качестве перегородок используют металлические сетки, тканный материал, пористые металлические и керамические плитки.

Во избегания закупоривания пор в суспензию часто добавляют инертные нерастворимые вещества (уголь, селикогель).

Движущая сила процесса фильтрования, т.е. разность давлений ( Р=Р1-Р2) может создаваться различными методами. В зависимости от этого различают следующие виды процесса фильтрования:

а). фильтрование при постоянном перепаде давлений, Р=const. В этом случае давление по обе стороны фильтровальной перегородки остается постоянным, а скорость процесса фильтрование по ходу процесса будет уменьшаться, т.к. возрастает сопротивление осадка.

б). фильтрование при постоянной скорости фильтрования, . При этом Р – увеличивается, чтобы скомпенсировать сопротивление осадка.

в). фильтрование при переменных разности давлений и скорости фильтрования.

Разность давления Р может создаваться на поверхностях фильтровальной перегородки за счет:

а). гидростатического давления столба суспензии над фильтровальной перегородкой;

б). избыточным давлением, создаваемого насосом лили сжатым воздухом;

в). вакуума под фильтровальной перегородкой;

г). центробежных сил, возникающих в суспензии, находящихся во вращающемся сосуде.

Характер создания Р оказывает определяющее влияние на конструкцию фильтров.

Источник: https://studopedia.su/16_54238_gidrodinamicheskie-protsessi-osazhdenie-osnovnie-gidrodinamicheskie-parametri-protsessa-osazhdeniya.html

Booksm
Добавить комментарий