CC BY
90
УДК 30.123(075.8)
В.А. Зверева, А.В. Гулякин
ЗВЕРЕВА Валентина Александровна - кандидат технических наук, доцент кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: V.Zvereva2010@yandex.ru, ГУЛЯКИН Александр Владимирович - студент Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: reinolds@bk.ru © Зверева В.А., Гулякин А.В., 2012
Аномальный способ
снижения гидравлических сопротивлений
Рассмотрен один из возможных способов снижения потерь напора на преодоление гидравлических сопротивлений в системах, использующих полимерные добавки. Представлены некоторые результаты исследований влияния полимерной добавки ПАА на работу центробежного насоса.
Ключевые слова: гидравлические сопротивления, полимерные добавки, неньютоновские жидкости, касательные напряжения, коэффициент трения.
Abnormal method of decrease in hydraulic resistance. Valentina A. Zvereva, Alexander V. Gulyakin - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
Let's consider one of possible method of decrease in losses of a pressure on overcoming of hydraulic resistance in the systems working by means of liquid environments and using polymeric additives. Some results of research additives for operation of the centrifugal pump are presented.
Key words: hydraulic resistance, polymeric additives, tangent efforts, factor of a friction, nenyyutonovsky liquids.
Гидравлические системы и устройства, одним из основных рабочих элементов которых является жидкость, применяются практически во всех отраслях промышленности. Коэффициент полезного действия таких систем находится в обратной зависимости от величины потерь энергии.
Жидкость при своем движении теряет энергию на преодоление гидравлических сопротивлений, в частности, на преодоление касательных напряжений, определяемых по закону Ньютона:
г = ^ = , (1)
дг
где ц - динамический коэффициент вязкости жидкости;
— = 0 - скорость деформации сдвига.
дг
Уравнению (1) подчиняются так называемые ньютоновские жидкости (вода, керосин, бензин, спирт и т.п.).
Но существуют жидкости, не подчиняющиеся закону (1). Эти жидкости называются аномальными, или неньютоновскими, или реологическими. Касательные напряжения в них в общем виде выражаются уравнением
т = То + к(0)п, (2)
где то - предел текучести; к - мера консистенции жидкости, значение которой тем больше, чем больше вязкости жидкости; п - индекс течения.
Примером таких жидкостей могут служить расплавы и растворы резин, смол, различных видов полимеры, нефтепродукты, строительные растворы, технические и минеральные масла, водные суспензии ядерного топлива и пр.
Важнейшей задачей при проектировании, расчете и эксплуатации гидравлических систем является снижение потерь энергии движущейся жидкости, в частности, коэффициента трения X, являющегося в общем случае движения ньютоновских жидкостей функцией числа Рейнольдса и шероховатости внутренней поверхности трубопровода или гидравлического устройства. Исследования коэффициента X, проведенные Хад-стремом и Вильгельмом относительно неньютоновских жидкостей, показали, что X в общем случае зависит от критерия Рейнольдса, Эйлера и Хадстерма, и его численные величины значительно отличаются от расчетных величин, соответствующих подобным условиям течения ньютоновских жидкостей. Например, извест-
МАШИНОСТРОЕНИЕ 155
но, что при ламинарном движении ньютоновских жидкостей коэффициент гидравлического трения я = — . При ламинарном движении одной из подгрупп неньютоновских жидкостей, так называемых бингановских пластичных жидкостей, к которым относятся сточные жидкости:
Я = (3)
Ие 8С
где Р0 - коэффициент пластичности; С - отношения предела текучести к касательному напряжению на поверхности трубы.
Прикидочные расчеты коэффициента трения X по зависимостям для неньютоновских жидкостей и по известным расчетным формулам гидравлики показало их отличие примерно в 1,5 раза.
Для уменьшения коэффициента трения X и гидравлических сопротивлений, в последние годы в промышленности успешно используют полимерные добавки [4]. Исследования, проведенные в Институте механики Московского университета, во ВНИИПО МЧС и других научно-исследовательских организациях показали, что небольшие количества таких веществ, как, например, линейные высокомолекулярные полимеры - по-лиакриламид (ПАА), полиэтиленоксид (ПЭО), полилюкс, гуаровая смола, поливиниловый спирт (ПВС), будучи растворенными в жидкости, обладают способностью значительно снижать гидравлические сопротивления в турбулентных потоках. При этом достаточно нескольких миллионных долей полимера в жидкости, чтобы значительно уменьшились турбулентность потока и гидравлические сопротивления [4].
Это явление известно под названием эффект Томса. В 1948 г. английский химик Томс установил, что при добавлении в воду полимерной добавки трение между турбулентным потоком и трубопроводом значительно снижается [5]. Этот эффект успешно используется на практике.
При движении в трубопроводах воды с добавками полимеров, по данным Ю.А. Войтинской, коэффициент гидравлического сопротивления при турбулентном режиме движения может быть получен по формуле:
ж=2108
в
( 2,8 у 'пор >-75 ( 2,51 Дэ
лГя {Ке4Я 3,7^
(4)
где V пор - пороговая динамическая скорость, зависящая от вида полимера, при достижении которой начинается снижение потерь напора; в - коэффициент, зависящий тоже от вида полимера и его концентрации. Например, для полиакриламида рекомендуется принимать у"пор, а в при (0,005% < С < 0,012%) находить по эмпирической формуле
в = 1000°, (5)
где С - объемная концентрация полимеров.
В некоторых случаях при концентрации полиакриламида порядка 0,01% потери напора могут быть снижены на 70%.
При С = 0, в = 0, уравнение (4) преобразуется в формулу Кольбрука-Уайта
1 = - 21оё + -2511. (6)
уя [ 3,7й ЯеТЯ)
На сегодняшний день известно, что применение ПАА позволяет снижать энергозатраты при нефтедобыче и газодобыче, увеличить скорость проходки пород при бурении скважин и снизить мощность силовых установок. Этот эффект используют для увеличения скорости перекачки по трубам в турбулентном режиме течения нефтепродуктов, эмульсий, водных суспензий. В пожарной технике данный эффект используют для увеличения дальности выброса струи воды из брандспойтов. Исследования показали, что добавка 0,02% по объему ПЭО во всасывающую линию пожарного насоса привела к значительному снижению трения в насосе, в пожарном рукаве и к увеличению скорости, а значит кинетической энергии пожарной струи, почти в два раза.
На кафедре гидравлики ДВГТУ (ИШ ДВФУ) проводились исследования по влиянию полимерной добавки ПАА на работу центробежного насоса типа К20/18. Исследования показали, что наиболее оптимальной дозой высокомолекулярного полимера оказалась его добавка в 0,001%. Сравнение характеристик насоса, перекачивающего воду с добавлением ПАА, с каталожной его характеристикой показало улучшение характеристик насоса. При этом подача насоса увеличилась на 30%, а коэффициент полезного действия - на 10%.
Таким образом, использование полимерных добавок значительно снижает энергозатраты и повышает эффективность работы гидравлических систем и машин.
В дальнейшем предполагается провести испытания насоса с использованием других видов полимеров и оценить их влияние на его работу.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абросимов Ю.Г. Эффект аномального снижения гидравлического сопротивления при введении в поток воды линейных высокомолекулярных полимеров // Интернет-журнал Академии ГПС. 2009. URL: http://agps-2006.narod.ru/ttb/2009-1/01-01-09.ttb.pdf (дата обращения: 10.10.2011).
2. Абросимов Ю.Г, Коваль Е.В. Гидравлические сопротивления в системах подачи воды на пожаротушение // Вестн. Академии ГПС МЧС России. 2006. № 5. С. 37-42.
3. Лебедев Н.М. Повышение пропускной способности труб введением в потокводы полимерных добавок: автореф. ... дис. канд. техн. наук. М., 1978.
4. Лебедев Н.М. Снижение гидравлического сопротивления труб с помощью добавок полиакриламида // Сб. тр. МИИТ. 1976. № 521. С. 58-61.
5. Toms B.A. First Intern. Congress Rheol. Amsterdam: Nort Holland Publ, 1949.
УДК 514.18
А.Г. Талалай
ТАЛАЛАЙ Алексей Геннадьевич - аспирант кафедры инженерной графики Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: granit1979@mail.ru © Талалай А.Г., 2012
Формирование аэродинамического контура трансцендентной кривой
Предлагается оригинальная кривая с двумя независимыми параметрами формы. Уравнением данной кривой удобно аппроксимировать аэродинамические профили. Ранее секансоида использовалась для формирования гладкого обвода.
Ключевые слова: формирование аэродинамического контура, трансцендентная кривая, аффинное преобразование.
Formation of the aerodynamic contour transcendental curve. Aleksey G. Talalay - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
An original curve with two independent parameters of the form. The equation of the curve is convenient to approximate the aerodynamic profile.
Key words: formation of an aerodynamic contour, transcendental curve, an affine transformation.
В качестве исходной кривой возьмем степенную секансоиду1 (см. рисунок) y = X |(sec дz) |v (1)
0 < v < да
z изменяется от 0 до
П 2ц
Если взять на координатной плоскости точку с координатами хА и уА и поставить условие ее принадлежности уравнению (1), то параметр р станет зависимым от X:
1
arc sec
Ц =
V ^ У
z
А
1 Ранее секансоида использовалась для формирования гладкого обвода (см. Талалай Г.Е. Автоматизированное проектирование сетчатого каркаса поверхности типа «фюзеляж» трансцендентными функциям: дис. ... канд. техн. наук. М., 1980).
