Дослідження впливу гідродинамічно-активних добавок на характеристики течій з вільними межами
1. Сучасний стан питання
Відкриття і послідовне усвідомлення того факту, що введення в турбулентний потік рідини відповідним чином підібраних добавок призводить до істотного зниження турбулентного тертя, відноситься до робіт Б. Томса/8/і К. Міселса/9 /. Експерименти ці були виконані в 1945-1946 роках, проте систематичне дослідження зазначеного явища почалися лише в 1954-1959 роках. Обумовлено це було виявленням високоефективних водорозчинних добавок і, у зв'язку з цим, появою можливості практичного використання ефекту зниження опору тертя. Інтенсивний розвиток цього питання відбивається в численних публікаціях теоретичного і прикладного плану. Зокрема, цій проблемі присвячено вже понад 1000 публікацій. Детальний виклад їх є предметом ряду оглядових робіт/1? 7; 10? 14 /.
Хоча в більшості випадків в якості знижують тертя полімерних добавок дослідники використовують гуарову смолу, поліоксиетилен, поліакриламід і натрієву сіль карбоксіметіцеллюлози, було виявлено, що багато інших високополімера з відповідним розчинником мають здатність знижувати турбулентний тертя. Деякі пари полімер - розчинник, що дають зниження опору наведені в роботі Хойта/12 /, найбільш повно це питання освячений в роботах/2, 14 /. З аналізу зазначеної літератури з повною впевненістю можна вважати правильними висновки Хойта, що будь макромолекулярні речовини досить великого молекулярного ваги (50000 і більше) головним чином з лінійною структурою молекул будуть знижувати опір в будь-якої рідини, в якій вони розчиняються.
Однак широкому застосуванню полімерів перешкоджає ряд виявлених при їх вивченні недоліків: механічна деструкція макромолекул при тривалому перебуванні в турбулентному потоці, невисока ефективність в трубах великого діаметру, низька швидкість розчинення.
Істотний вплив на пристінну турбулентність надають і добавки іншої природи: міцеллообразующие поверхнево - активні речовини (ПАР). Своєю назвою ПАР зобов'язані здатності знижувати поверхневе і міжфазну натяг через адсорбції та орієнтації молекул у поверхні розділу. Зниження поверхневого натягу, як правило, обумовлено дифільної будови молекул ПАР, що володіють полярної групою і неполярной вуглеводневим радикалом.
Вперше повідомлення про здатність ПАР знижувати гідродинамічний опір (було виявлено аномальне тертя напалму при русі в вогнеметної установці) наводиться в роботах/9 /. Спосіб зниження опору з використання малоподобних речовин був запатентований ще в 1949 році, проте вивчення особливостей перебігу рідин з добавками цього класу стало вироблятися набагато пізніше.
Севінс/15/першим виявив важлива властивість розчинів ПАР, що володіють зниженим опором - стійкість до механічної деструкції. У роботі/15/наведені результати досліджень, коли властивість знижувати опір в розчині ПАР зберігалося після 88 годин перекачування його насосом. Було також показано, що при великих зсувних напругах спостерігається зникнення ефекту зниження опору і його відновлення при зменшенні напружень.
До перших публікаціям по використанню міцеллообразующих поверхнево - активних речовин для зменшення турбулентного тертя рідин у нас в країні слід віднести ряд робіт, виконаних під керівництвом І.Л. Повха і А.Б. Ступіна. У наявних до теперішнього часу порівняно невеликій кількості робіт, присвячених вивченню особливостей зниження турбулентного опору добавками ПАВ освітлений дуже вузьке коло питань, пов'язаних з інтегральними характеристиками потоків і практично відсутні відомості про особливості турбулентності в розчинах ПАР.
З метою розширення класу добавок, що знижують турбулентне тертя, вивчення особливостей їх впливу на потік рідини, ряд авторів використовували різні специфічні добавки: азбестові, деревні, натуральні і синтетичні волокна, глинисті частинки, продукти життєдіяльності морських організмів і водоростей і т.п./3, 6, 14 /. Однак дослідження ці нечисленні і їх дані в ряді випадків суперечливі. Перспективи практичного використання зазначених добавок досить проблематичні.
Зупинимося на деяких, найбільш загальних особливостях впливу на турбулентність добавок полімерів і поверхнево - активних речовин.
1.1 Структура турбулентних течій з добавками
В даний час не існує єдиної точки зору щодо механізму зниження турбулентного тертя добавками. Труднощі в обгрунтуванні гіпотез пов'язані зі складністю досліджуваного явища, яке з позицій класичної гідродинаміки володіє рядом аномалій, а також з відс...
