CC BY
111
УДК 532:53.04:53.06:574
Рыков Станислав Витальевич
ФГБОУ ВПО Государственный университет управления
Россия, Москва
Кандидат физико-математических наук, доцент
E-Mail: svr-nl@yandex.ru
Мамина Диня Халиловна
ФГБОУ ВПО Московский государственный строительный университет,
Москва, Россия Кандидат технических наук, доцент E-Mail: dmamina@mail.ru
Гидродинамический эффект и возможности его практического применения
Аннотация: Экспериментально обнаружен гидродинамический эффект стационарной устойчивой циркуляции в вертикальной плоскости жидкости, помещённой во вращающийся вокруг вертикальной оси цилиндр. На основе этого эффекта разработаны аэратор, насос, динамический фильтр - насос, мешалка - дозатор. Реализация сложных химикотехнологических процессов очистки воды практически невозможна без современных технологий перемешивания и аэрации (барботажа) и применение эффекта ЭРСВ (эффект ротационно-струйного вихреобразования) может быть очень полезно. Известно, что в начальный момент времени при изменении скорости вращения жидкости (цилиндра с жидкостью) от нуля до стационарного значения, возникает временное движение жидкости в вертикальной плоскости (поверхность жидкости принимает параболическую форму). При этом по центральной оси возникает ниспадающий поток. Движение прекращается при приобретении жидкостью стационарного состояния для данной скорости вращения.
Как показали наши эксперименты, при увеличении скорости вращения жидкости больше некоторой критической величины, возникает устойчивая стационарная циркуляция в вертикальной плоскости.
В природных условиях рассматриваемый эффект, возникающий в смерчах и тайфунах (создающих мощные, вращающиеся с большой скоростью столбы жидкости над водной поверхностью), может вызывать эффективный подъём придонных слоёв воды, т.е. эффективное перемешивание водных масс с одновременным насыщением (аэрацией) их воздухом (кислородом)
Ключевые слова: Гидродинамика; гидромеханика; ядерный магнитный резонанс; вращение жидкости; перемешивание; аэрация; динамический фильтр; барботаж; смерчь; тайфун; фильтр-насос; поверхностное натяжение.
Идентификационный номер статьи в журнале 148TVN613
Stanislav Rykov
The State University of management, Moscow
Russia, Moscow E-Mail: svr-nl@yandex.ru
Dinya Mamina
Moscow state building university Russia, Moscow E-Mail: dmamina@mail.ru
Hydrodynamic effects and possibilities of its practical application
Abstract: Experimentally discovered hydrodynamic effect of the stationary stable circulation in the vertical plane of the liquid, placed in a rotating around the vertical axis of the cylinder. On the basis of this effect have been developed aerator pump, dynamic filter pump, mixer dosing. Implementation of complex of chemical-technological processes of water purification is practically impossible without modern technologies mixing and aeration (bubbling) and application of the effect of a rotary jet vortex can be very useful. It is known that at the initial time at change of speed of rotation of the fluid (cylinder of liquid) from zero to a stationary value, occurs temporary fluid motion in vertical plane (the surface of the fluid takes a parabolic shape). The Central axis occurs flowing stream. The movement stops when purchasing liquid stationary state for a given speed.
As shown by our experiments, by increasing the speed of rotation of liquid above a certain critical value, there is a steady stationary circulation in the vertical plane.
In natural conditions the considered effect occurring in tornadoes and тайфунах (creating powerful, rotating with a high speed pillars of the liquid above the water surface)can cause an effective rise of bottom water layers, i.e. efficient mixing of water masses with simultaneous saturation ( aeration) of their air (oxygen)
Keywords: Hydrodynamics; fluid mechanics; nuclear magnetic resonance; spin liquid; mixing; aeration and dynamic filter bubbling; tornado; typhoon; filter pump; surface tension; rotating fluid.
Identification number of article 148TVN613
При исследовании химических и фотохимических реакций (включая гетерогенные) в растворе методом ЯМР-спектроскопии (ядерный магнитный резонанс) возникает проблема поведения раствора в ампуле ЯМР-спектрометра. Дело в том, что спектры ЯМР снимаются от раствора, находящегося в ампуле, вращающейся с большой скоростью (до 100 об/с). При этом возникает мениск и (как нами выявлено) различные струйные течения, которые надо обязательно учитывать (а иногда и использовать!) при изучении кинетики химических (а особенно фотохимических и гетерогенных, протекающих на границе раздела жидкость -твёрдое тело, реакций). Для понимания гидродинамических эффектов, проходящих во вращающейся цилиндрической ампуле нами были проведены исследования.
В ходе исследований нами экспериментально обнаружен гидродинамический эффект стационарной устойчивой циркуляции в вертикальной плоскости жидкости, помещённой во вращающийся вокруг вертикальной оси цилиндр. На основе этого эффекта разработаны аэратор, насос, динамический фильтр - насос, мешалка - дозатор и ряд других полезных устройств. При вращении жидкости, помещённой в вертикальный вращающийся цилиндр, поверхность её принимает форму параболоида [1, 2,3,4,5].
Известно, что в начальный момент времени при изменении скорости вращения жидкости (цилиндра с жидкостью) от нуля до стационарного значения, возникает временное движение жидкости в вертикальной плоскости (поверхность жидкости принимает параболическую форму). При этом по центральной оси возникает ниспадающий поток. Движение прекращается при приобретении жидкостью стационарного состояния для данной скорости вращения.
Однако, как показали наши эксперименты, при увеличении скорости вращения жидкости больше некоторой критической величины, возникает устойчивая стационарная циркуляция в вертикальной плоскости. При этом по оси жидкости (цилиндра) возникает восходящий поток, по краям (вдоль внутренних стенок цилиндра) - нисходящий. Циркуляция хорошо наблюдается при условии L / d > 10, где: L - высота столба жидкости, d - диаметр столба жидкости.
Площади восходящего и нисходящего потоков (что естественно!) равны. Наблюдаемые эффекты возникают за счёт явления «сдува» поверхностного слоя жидкости, которое возникает в том случае, когда проекция центробежной силы (действующая на поверхностный слой) на касательную к параболической поверхности, не компенсируется компонентой силы тяжести и поверхностным натяжением.
Следует отметить, что описанные выше эффекты могут наблюдаться и в том случае, если свободная поверхность вращающегося столба жидкости выпуклая, а не вогнутая. Этот случай может возникнуть при наличие области пониженного давления над поверхностью жидкости[6,7.8].
В природных условиях рассматриваемый эффект, возникающий в смерчах и тайфунах (создающих мощные, вращающиеся с большой скоростью столбы жидкости над водной поверхностью), может вызывать эффективный подъём придонных слоёв воды, т.е. эффективное перемешивание водных масс с одновременным насыщением (аэрацией) их воздухом (кислородом)[9,10].
Краткое теоретическое описание эффекта (эффект ЭРСВ - эффект ротационноструйного вихреобразования).
Показано, что при быстром вращении цилиндрического столба жидкости по его оси возникает устойчивый восходящий поток. Известно, что при вращении свободная поверхность жидкости принимает форму параболоида и описывается очевидным уравнением
2
Ю г>2
h=------------R
2Е
где
^ высота столба жидкости;
Ю- угловая скорость;
§- ускорение свободного падения;
d
R=—- расстояние от оси столба жидкости (т.е. радиус вращающегося столба 2
жидкости).
Известно, что в начальный момент времени при изменении скорости вращения от нуля
, 0 .
до стационарного значения (Ю стац.) возникает затухающее движение жидкости в вертикальной плоскости (по оси возникает ниспадающий поток) (см. например 2),
прекращающееся при приобретении всей жидкостью Ю° стац.
Однако, как показали наши эксперименты, при увеличении скорости вращения
жидкости больше некоторой критической (Ю), возникает устойчивая стационарная циркуляция в вертикальной плоскости. По оси столба жидкости возникает восходящий поток, по краю - нисходящий.
Циркуляция хорошо наблюдается при условии:
I
— >>1, d
где 1- высота столба жидкости в свободном состоянии; d- диаметр столба жидкости.
т.е. основание мениска не должно опускаться до нижнего края столба жидкости.
Ограничение столба жидкости снизу, если основание мениска не касается ограничивающей плоскости, не оказывает влияния ни на величину Ю , ни на характер циркуляции. Устранение возможности образования мениска в верхней части вращающегося столба жидкости (например вращение вокруг оси закрытого с двух сторон цилиндра, заполненного до верха) полностью убирает эффект циркуляции при любых, реально
Ютах *
достигаемых скоростях вращения (в эксперименте 450 рад/с). Диаметр восходящего
потока 0,7 d, т.е. (как и следовало ожидать) сечения восходящего и ниспадающего потоков равны. Если столб жидкости ограничить снизу плоскостью с отверстием по оси диаметром 0,7
d, то при Ю > Юкр восходящий поток возникает, а ниспадающий отсутствует. При быстром
вращении цилиндра, открытого сверху, а в нижней части (опущенной в сосуд с жидкостью) имеющего отверстие диаметром 0,7 d, жидкость начинает подниматься и, дойдя до верхнего края цилиндра, разбрызгивается по сторонам.
Если вращающийся с Ю > Юкр цилиндр, полностью открытый с обоих торцов
опустить в сосуд с жидкостью (при условии, что 10d<D, 101 < L , где D-диаметр сосуда, I -глубина погружения цилиндра, L- высота жидкости в сосуде), то в сосуде возникает
вращающийся с Ю < Юкр шнур жидкости, медленно прецессирующий (вращающийся с
О <<Юкр ) относительно оси сосуда. Шнур расширяется от обреза цилиндра с углом
1 ^0 2п
раскрывания а~15 и достигает дна сосуда. Нижний конец шнура медленно (V<<---------------)
Ю
кр.
колеблется относительно оси сосуда, от чего шнур изгибается в вертикальной плоскости. Внутри шнура существует восходящий поток, который входит внутрь вращающегося цилиндра, доходит по его оси до свободной параболической поверхности и вдоль стенки опускается до нижнего обреза, где за счет центробежных сил разбрасывается прочь от оси сосуда. По-видимому, наблюдаемые эффекты возникают за счет явления "сдува" поверхностного слоя жидкости, которое возникает в том случае, когда проекция центробежной силы (действующая на поверхностный (слой) на касательную к параболической поверхности, не компенсируется компонентной силы тяжести и поверхностным натяжением
Приближенное выражение для Юкр можно получить, считая, что при изменении
угловой скорости на Лю совершается работа, равная приращению кинетической энергии ^ и ), которая тратится на преодоление сил поверхностного натяжения (GdS, где Б- площадь свободной поверхности, G- сила поверхностного натяжения) и приращение потенциальной энергии ( dU„ ) слоя жидкости над плоскостью, проходящей через низшую точку свободной поверхности ( см. напр. рис. 1).
^ Щар - и'к ^и"п +GdS,
где ик - кинетическая энергия вращающегося столба жидкости со свободной параболической поверхностью;
и - кинетическая энергия вращающегося столба жидкости того же диаметра и того же объема, но ограниченную сверху плоской поверхностью.
Для параболической поверхности жидкости ик , ип и Б легко рассчитать:
и' _ Лю2 _ пр^6ю4
2 12*
где р - плотность жидкости
прю2Я5
и _
е _ 2пю2R3
и
4 г) 6
ицил прю R
5 12 ^ *я
и тогда Ю > — I— X---------+------
Д\ 3 рR 5
Формула дает вполне удовлетворительное совпадение с экспериментом. Так при 230С,
рад.
в цилиндре с внутренним d= 8 мм циркуляция воды возникает при Ю > 190----------------. Расчет
сек.
рад.
дает Ю > 175---------.
сек.
Рис. 1. Экспериментальное проявление гидроэффекта ЭРСВ
Нам представляется, что наиболее перспективно использование эффекта ЭРСВ (кроме, конечно, исследований кинетики и механизма химических реакций в ампуле ЯМР-спектрометра, откуда всё и началось!) в установках по очистке воды. Эффективное, быстрое и качественное перемешивание достаточно больших масс (объёмов) воды, дозированная добавка небольших количеств высокоактивных реагентов при очистке воды, когда требуется
быстро и качественно (максимально равномерно!) распределить реагент по всему обрабатываемому объёму, аэрация прудов - очистителей и других объектов водоподготовки и водоочистки - серьёзные технические задачи, постоянно возникающие перед специалистами. Проблема малой насыщенности кислородом массы воды непроточных, застойных и слабопроточных водоёмов также всегда стоит очень остро (особенно в летние месяцы), т.к. отсутствие кислорода вызывает гибель многих водных живых организмов (в первую очередь рыбы). Дешёвое, простое, надёжное и достаточно универсальное устройство для аэрации и эффективного перемешивания водных масс в достаточно толстом слое было бы очень необходимо и полезно, особенно если оно может работать в автономном режиме. Так, например, компания CanadianPond.ca Products Ltd. заявила о выпуске труб Bubble Tubing, отяжеленных без использования свинца и других тяжелых металлов. Они предназначены для очистки точных вод и аэрации искусственных водоемов. Подаваемый в них сжатый воздух выходит на дне водоёма и поднимается на поверхность в виде пузырьков, эффективно обогащая кислородом воду и дно водоёма, где накапливаются очищающие её бактерии. Достаточно гибкая конструкция труб Bubble Tubing позволяет использовать их в любых типах водоемов. Балласт из плотного ПВХ делает их экологически безопасными. Благодаря отсутствию свинцового киля они стали не только надежнее, но и в отличие от других рассеивающих труб более гибкими, что полностью исключает появление изломов, скручиваний или каких-либо следов деформации. Произведённая с большой точностью перфорация воздухопровода позволяет создавать совсем маленькие пузырьки, увеличивая тем самым передачу кислорода и повышая эффективность.
Современные технологии очистки воды - это многократное повторение различных этапов очистки воды. Например, до и после отстаивания вода может быть обеззаражена, затем профильтрована, вновь обеззаражена и т. п. Для современного мирового уровня характерно использование сложных высокомолекулярных реагентов с точными характеристиками и строго дозируемыми концентрациями, часто с избирательным действием. Они являются продуктом высоких технологий, их дозировка зависит от множества конкретных факторов и является результатом решения оптимизационных задач для соблюдения жёстких нормативов содержания остаточных доз реагентов в питьевой воде (или в воде, сбрасываемой в открытые водоёмы). При этом аккуратное применение современных коагулянтов и флокулянтов на базе биополимеров, ионообменных смол позволяет не только удалить из воды взвешенные и растворимые вещества, но и провести её обеззараживание. Наиболее перспективными методами очистки природных вод от органических примесей в мире считаются технологии, основанные на окислительных процессах, включающих комбинированное воздействие УФ-излучения, окислителей и реагентов-катализаторов. Озонирование и обработка УФ (при активном перемешивании!) эффективно очищают воду от антропогенных примесей и соединений, вызывающих привкусы и запахи. Современные нанотехнологии по данным лабораторных исследований позволяют удалять из воды даже ионные загрязнения. Реализация сложных химико-технологических процессов очистки воды практически невозможна без современных технологий перемешивания и аэрации (барботажа).
Описание мешалки-дозатора-смесителя
Основным рабочим элементом мешалки (рис. 2) является калиброванная (с допустимым эксцентриситетом по всей трубке < 0,1 мм,) строго соосная цилиндрическая трубка с внутренним диаметром d=10 мм, вращающаяся вокруг оси со скоростью ~50 оборотов/с. Внутренняя поверхность трубки специально обработана (ноу-хау). За счет гидродинамического эффекта, обнаруженного автором и возникающего на параболической поверхности вращающегося столба жидкости (внутри трубки), вдоль оси трубки возникает восходящий поток жидкости диаметром ~ 7 мм с линейной скоростью ~ 4 см/с. Ниспадающий
вдоль стенок поток (благодаря центробежным силам) отбрасывается от нижнего торца трубки, усиливая эффект перемешивания.
Объём жидкости 0,5 л обычной вязкости (например, вода) полностью перемешивается за 1-2 с. Особенно эффективно перемешивание происходит, если один из компонентов вводить внутрь вращающейся трубки-смесителя.
Рис. 2. Схема работы мешалки-дозатора-смесителя (1 - сосуд с жидкостью; 2 - шкив привода; 3-диск привода; 4-рабочий элемент-трубка; 5-дозирующее устройство)
ЛИТЕРАТУРА
1. Жан Россель Общая физика, М.: Мир, 1964 г., 480 с.
2. Р. В. Поль Механика, акустика и учение о теплоте, М: Наука, 1971г., 260 с.
3. Гельмгольц Г. Основы вихревой теории, Москва-Ижевск: ИКИ, 2002.
4. Пуанкаре А. Фигуры равновесия жидкой массы. М.:Наука, Регулярная и хаотическая динамика, 2000.
5. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003,276с.
6. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их матем. модели. М.: Наука, 1973.
7. Гледзер Е.Б., Должанский Ф.В., О6ухов А.М. Системы гидродинамического типа и их применение. М.: Наука, 1981.
8. Винников В.А., Каркашадзе Г.Г. Гидромеханика. М.: МГГУ, 2003.
9. Каминер А.А., Яхно О.М. Гидромеханика в инженерной практике. Киев: Техника,1987.
10. Ильичев А.Т. Уединенные волны в моделях гидромеханики. М.: Физматлит,2003.
11. Абрашкин А.А., Якубович Е.И. Вихревая динамика в лагранжевом описании. -М., Физматлит, 2006.
Рецензент: Андрей Валентинович Иванов, Ведущий научный сотрудник РОНЦ РАМН, член НТС экологического центра ОВОП г. Москвы, доктор физ-мат наук, ivavi@yandex.ru.
REFERENCES
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10. 11.
Zhan Rossel' Obshhaja fizika, M. : Mir, 1964 g., 480 s.
R. V. Pol' Mehanika, akustika i uchenie o teplote, M: Nauka, 1971g., 260 s.
Gel'mgol'c G. Osnovy vihrevoj teorii, Moskva-Izhevsk: IKI, 2002.
Puankare A. Figury ravnovesija zhidkoj massy. M.:Nauka, Reguljarnaja i haoticheskaja dinamika, 2000.
Lojcjanskij L.G. Mehanika zhidkosti i gaza. M.: Drofa, 2003,276s.
Lavrent'ev M.A., Shabat B.V. Problemy gidrodinamiki i ih matem. modeli. M.: Nauka, 1973.
Gledzer E.B., Dolzhanskij F.V., O6uhov A.M. Sistemy gidrodinamicheskogo tipa i ih primenenie. M.: Nauka, 1981.
Vinnikov V.A., Karkashadze G.G. Gidromehanika. M.: MGGU, 2003.
Kaminer A.A., Jahno O.M. Gidromehanika v inzhenernoj praktike. Kiev: Tehnika,1987.
Il'ichev A.T. Uedinennye volny v modeljah gidromehaniki. M.: Fizmatlit,2003.
Abrashkin A.A., Jakubovich E.I. Vihrevaja dinamika v lagranzhevom opisanii. - M., Fizmatlit, 2006.
