КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Коваленко Віктор Федорович

УДК 532.62

ГРАВІТАЦІЙНА ТЕЧІЯ АНОМАЛЬНО-В'ЯЗКИХ РІДИН

ПО КОНІЧНИХ ПОВЕРХНЯХ

05.23.16. Гідравліка та інженерна гідрологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти та науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Яхно Олег Михайлович, Київський Національний Технічний Університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри “Гідропневмоавтоматики та гідравліки”.

Офіційні опоненти: заслужений діяч науки і техніки України, лауреат Державної премії України, доктор технічних наук, професор, Большаков Валерій Олексійович, Національний транспортний університет, завідувач кафедри мостів і тунелів,

кандидат технічних наук, доцент, Желяк Володимир Іванович, Національний університет “Львівська політехніка”, доцент кафедри гідравліки і сантехніки.

Провідна установа: Інститут гідромеханіки НАН України

(м. Київ).

Захист дисертації відбудеться “28” березня 2001р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31, ауд. 466.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.

Автореферат розісланий “22” лютого 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Василенко О.А.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. В технологічних процесах, пов'язаних з інтенсифікацією масо- і теплообміну, в апаратах для випарювання рідини, при очищенні рідин та газів все ширше використовуються течії в тонких рідинних шарах. Використання таких течій у багатьох випадках підвищує ефективність роботи устаткування, його економічність, екологічну чистоту. Практичний досвід показує, що коло проблем, що відносяться до течій рідинних плівок по твердих поверхнях, є надзвичайно широким і містить у собі течії різного типу рідин по вертикальних, похилих, циліндричних і інших типах поверхонь. Формування плівок на таких поверхнях залежить від цілого ряду факторів: виду розподільних пристроїв, умов на границі контакту рідина – тверда поверхня, рідина – газ. Плівкові течії охоплюють великий комплекс реологічних і гідромеханічних проблем, вирішення яких суттєво підвищило б ефективність виробництва і забезпечило б істотний економічний ефект. Цим пояснюється актуальність і великий практичний інтерес до подібного типу проблем, однією з актуальних серед них є проблема течії в'язких і аномально-в'язких рідин по конічних поверхнях, тобто поверхнях із змінною по довжині кривизною, що, у свою чергу, приводить до появи відмінних від плоскої поверхні ефектів у плівці, підвищену дестабілізацію течії і т.п. На жаль, на сьогодні ще повністю не вирішені задачі визначення для даного випадку основних гідродинамічних параметрів в плівці і вплив на них аномалії в'язкості рідини. Відсутні надійні методики розрахунку елементів плівкових апаратів з робочою частиною у вигляді конусу.

Таким чином, робота, що направлена на вирішення цих задач є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до науково-дослідних програм кафедри гідравліки і водовідведення Київського національного університету будівництва і архітектури що присвячені питанням очищення рідин та газів, вирішенню гідравлічних проблем тепло- і масообміну, а також робіт по гідродинаміці неньютонівських рідин.

Метою роботи є розробка більш досконалих і надійних методів розрахунку параметрів потоку плівкових течій неньютонівських рідин, властивості яких відповідають степеневому реологічному закону, на конічних поверхнях на основі сформульованих математичних моделей з широким залученням для їх оцінки і апробації експериментальних досліджень.

Задачі дослідження:

- дослідити особливості плівкових течій неньютонівських рідин на

конічних поверхнях;

·

· провести експериментальне дослідження плівкової течії на конічній поверхні з метою виявлення особливостей у визначенні їх гідродинамічних характеристик;

· дослідити реологічні властивості робочих рідин що використовувались при експериментальних дослідженнях і вплив цих властивостей на параметри плівки;

· отримати аналітичні залежності для визначення товщини плівки і щільності зрошення на конічній поверхні і визначити вплив на ці характеристики кута конусності, реологічних властивостей рідини, умов витікання рідини з розподільного пристрою (наявності чи відсутності ексцентриситету);

· на підставі реалізації математичної моделі і експериментальних досліджень створити інженерну методику розрахунку течій аномально в'язких рідин по конічних поверхнях.

Об'єкт дослідження – неньютонівські рідини, що описуються степеневим реологічним законом Освальда де Віля, які стікають по конічних поверхнях з різними кутами конусності та шорсткістю.

Предмет дослідження – гідродинамічні та реологічні характеристики плівкових течій на конічних поверхнях.

Методи дослідження – фізичне і математичне моделювання процесів течії аномально-в'язких рідин, що описуються степеневим реологічним законом Освальда де Віля, на конічних поверхнях, використання чисельних і аналітичних методів для обробки експериментальних результатів фізичного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів:

·

· обґрунтована і побудована загальна математична модель течії рідини на конічній поверхні сумісно з течією в розподільному пристрої;

· одержані загальні залежності для визначення щільності зрошення та товщини плівки на конічній поверхні та їх залежність від реологічних властивостей рідини, геометричних параметрів та одержаних автором гідродинамічних критеріїв подібності;

· проведено аналіз і оцінка впливу ексцентриситету в розподільному пристрої на основні характеристики плівкової течії на конічній поверхні.

Практичне значення отриманих результатів. Проведені дослідження дозволяють використати їх результати для більш надійного обґрунтування, розрахунку і проектування технологічних і конструктивних параметрів робочих елементів плівкових апаратів з урахуванням реологічних властивостей стікаючої рідини і зміни кривизни поверхні та рекомендації по їх вдосконаленню;

Розроблені в дисертації методи розрахунку і методики впроваджені на відкритому акціонерному товаристві “Фармак” (м. Київ) для підвищення ефективності роботи апаратів для випарювання рідини при виробництві діазоліну. Запропоновані розрахункові рекомендації дозволили без проведення додаткових експериментів визначити необхідні технологічні і конструктивні характеристики плівкових апаратів. Очікуваний економічний ефект складає 57 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У спільних публікаціях автору належать теоретичні обґрунтування застосування плівкових течій на конічних поверхнях, математичне моделювання, проведення експериментів і обробка експериментальних даних, створення методик розрахунку параметрів плівкового потоку на конічній поверхні, розробка пропозицій по методиці очищення рідин від волокнистих включень, упровадження матеріалів досліджень.

Апробація роботи. Основні результати і окремі розділи роботи доповідались: на науково-практичних конференціях КНУБА (Київ – 1997, 1998, 1999, 2000 рр.); на конференціях НТУУ “КПІ” “Гідромеханіка в інженерній практиці” (Черкаси – 1997 р., Київ – 1998, 2000 рр., Суми – 1999р); в Українському транспортному університеті (Київ – 1997, 2000 рр.).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 8 друкованих праць, в тому числі 5 у фахових виданнях.

Обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків; викладена на 122 сторінках машинописного тексту, містить 29 малюнків, 8 таблиць, список використаної літератури з 122 найменувань, 3 сторінки додатків; загальний обсяг роботи 138 сторінок.

Основний зміст роботи

Текст роботи містить у собі всі основні результати дисертаційних досліджень.

У вступі розкривається суть проблеми, пов'язаної з течією аномально в'язких рідин у плівках, що формуються на конічних поверхнях. Обґрунтовується доцільність таких досліджень і актуальність для промисловості.

У першому розділі розглянута область застосування плівкових течій у різних типах тепло- і масообмінної апаратури, установках для очищення газів і рідин. Показано, що в багатьох випадках робочими елементами таких апаратів є конічні поверхні, на яких формується рідинна плівка. Проведено аналіз умов формування плівки і вплив особливостей поверхні на величину таких характеристик потоку як щільність зрошення і товщина плівки . Огляд досліджень, присвячених питанням гідродинаміки рідинних плівок показав, що істотний внесок у вирішення даної проблеми, пов'язаної із течією ньютонівських рідин внесли такі вчені, як Алексеєнко А.В., Накоряков В.Е., Покусаєв Б.М., Шкадов В.Я, Малюсов В.А., Живайкін Л.Я., Воронцов Е.Г., Капіца П.Л., Левич В.Г., Холпанов Л.П., Тананайко Ю.М., Фулфорд Г.Д., Бояджиєв Х., Бешков В. та інші. В основному роботи цих авторів присвячені течії по плоских і циліндричних поверхнях. Найважливіші результати досліджень даних авторів представлені в табл.1. Що стосується неньютонівських рідин то, на жаль, навіть для опису течії на плоских вертикальних і похилих поверхнях досліджень надзвичайно мало. Серед них слід відзначити роботи Шульмана З.П. де зроблена спроба описати течію рідин, що підлягають степеневому закону Освальда де Віля, на плоских вертикальних і похилих поверхнях. Разом з тим, проведений аналіз показав, що серйозні дослідження течії неньютонівських рідин на конічних поверхнях, тобто на поверхнях із кривизною, що змінюється, уздовж утворюючої, практично відсутні, у той час, як саме такі поверхні все частіше зустрічаються в апаратах і технологічних процесах хімічної, переробної, фармацевтичної, харчової та інших видах промисловості. В цих галузях дуже високий відсоток устаткування в якому як робочі рідини використовуються латекси, емульсії, дисперсії, технічні мастила з присадками, рідини з волокнистими включеннями, тобто середовища що проявляють аномалії в'язкості. З огляду на це, проаналізувавши особливості течії потоку на конічних поверхнях, представлений аналіз сил, що визначають умови формування плівки, встановлено основні розходження між течією плівки на конічній і циліндричній поверхнях. З урахуванням вищевикладеного, у роботі була поставлена задача проведення математичного і фізичного моделювання ламінарної ізотермічної течії неньютонівської рідини, що описується степеневим законом Освальда де Віля на конічних поверхнях з різним кутом конусності. Планувалося установити вплив на основні характеристики плівки реологічних констант рідини (індексу течії n і консистентної постійної K), кута конусності і закону зміни кривизни поверхні уздовж потоку, вплив умов виходу потоку з розподільного пристрою на формування плівки і супутніх їм факторів. Результати таких досліджень планувалося покласти в основу методики розрахунку розглянутого типу апаратів і розробки рекомендацій з підвищення ефективності й економічності їхньої роботи.

Таблиця 1

Огляд результатів досліджень плівкових течій

Поверхня Область застосування Середня товщина Плівки Рідина Автор

Плоска верти- кальна Re<4..20 Ньютонівська (вода) В.Нуссельт

Плоска верти- кальна 4<Re<40 Ньютонівська (вода) П.Л. Капіца, Г. Брауер, К. Файнд

Плоска верти- кальна 64<Re<320 Ньютонівська (вода) Г.Д. Фулфорд

Зовнішня циліндрична 100<Re<2000 Ньютонівська (вода) Р.Д. Конеру, Ю.М.Тананайко, І.І.Черно-бильський

Плоска похила 20<Re<70 Ньютонівська (вода) Б.Я.Карастелев

Плоска похила Re<40 Неньто-нівська З.П.Шульман

Зовнішня конічна Супутній газокрапельний потік В явному вигляді за-лежності для не представлені Ньютонівська (вода) Ю.А.Волченко, І.І.Ієвлев

У другому розділі розглянута математична модель плівкової течії в'язких і аномально-в'язких рідин на конічних поверхнях де течія, в основному, є не стабілізована, тобто на потік, крім сил в'язкого тертя, поверхневих сил, істотно можуть впливати сили інерції від конвективного прискорення. Як вихідні рівняння використовувалися рівняння руху в напруженнях. В основу математичного опису покладена ідея про комплексний розгляд задачі формування плівки на конічній поверхні разом із задачею течії у розподільному пристрої. Така постановка є актуальною у зв'язку з тим, що тип розподільного пристрою (зазор між циліндричними чи конічними поверхнями) істотно впливає на формування плівки. На рис.1 представлена схема течії рідини в розглянутому випадку. Відповідно до даної теми течія розглядається в областях між перетинами , , , , .

В основу опису течії в цих зонах покладений алгоритм граничних інтегральних рівнянь, розроблений С.М. Бєлоносовим і описаний нами у роботі [4]. Цей метод зручний, якщо розглядати плівкову течію на твердій поверхні в нерозривному зв'язку з течією у розподільному пристрої. Так, відповідно до рис.1 область Z – частина меридіонального перетину кругового напівнескінченного циліндра. Границя області D обрана так, щоб на ній швидкості часток в'язкої рідини досить точно визначалися в поздовжньому напрямку відповідною реологічному закону параболою. Форма утворюючої розподільного пристрою задана відповідно рівнянням R=f(z). Напівнескінченна смуга Do обмежена зверху відрізком , праворуч — відрізком (що лежить на утворюючій твердого конуса) і ліворуч - кривою (ця крива позначена символом ). Рівняння кривої , що визначає вільну поверхню рідинної плівки, запишемо у виді (при ); функція підлягає відшуканню. Передбачається, що на усіх твердих поверхнях приймається умова прилипання рідини: ; на правій границі області повинні виконуватися умови:

(1)

У точках лінії повинні виконуватися кінематична умова і динамічна умова . Середня кривизна розглянутої нами поверхні обертання може бути визначена відповідно до [4] у такий спосіб:

2 (2)

На підставі даної математичної моделі була проаналізована течія у розподільному пристрої типу циліндр-циліндр при наявності і відсутності ексцентриситету й отримані наступні залежності для середньої швидкості потоку, витрати і перепаду тиску, що співпадають з результатами, приведеними в роботах О.М.Яхно і В.С.Кривошеєва. Зокрема вираз для витрати в розподільному пристрої, покладений в основу розрахунку щільності зрошення, має вид:

(3)

де , , - внутрішній радіус, зазор і ексцентриситет в розподільному пристрої відповідно.

Наявність ексцентриситету в розподільному пристрої приводить до нерівномірності розподілу рідини на поверхні конуса. Якщо рівномірність розподілу рідини по периметру оцінювати як , де - витрата рідини з якоїсь частини конуса (у нашому випадку з 1/8 частини периметра) показано, що з точністю до 12% це співвідношення описується рівнянням

(4)

структура якого відповідає рівнянню, запропонованому Е.Г.Ворон-цовим.

Зіставлення існуючих рішень для циліндричних поверхонь відповідними результатами аналізу для конічних поверхонь дозволило представити закон розподілу швидкостей на конічній поверхні у вигляді

(5)

де - функція, що характеризує розподіл швидкостей на плоскій пластині;

-функція, що коригує закон розподілу швидкостей на конічній поверхні відносно плоскої і враховує особливості течії рідини на цій поверхні і фактори, що впливають на формування плівки на ній.

У цьому випадку, використовуючи дану залежність, витрата рідини, що протікає по конічній поверхні матиме вид:

(6)

Перший інтеграл у рівнянні (6) може бути визначений на підставі відомих досліджень, присвячених течії ньютоновских і степеневих неньютонівських рідин. Другий інтеграл доцільно визначати експериментально в зв'язку з тим, що його значення істотно залежить не тільки від кута конусності, але і співвідношення зміни радіуса і товщини плівки і різного ступеня впливу кривизни поверхні по висоті конуса.

Для запису даних співвідношень у критеріальному вигляді на підставі p- теореми були визначені основні критерії, що характеризують розглянутий тип течії. У результаті отримано, що

(7)

причому комплекс може бути представлений як комбінація критеріїв Галілея і Рейнольдса, тобто .

Аналіз отриманого виразу дає можливість вважати, що найважливішими критеріями гідродинамічної подоби при плівковій течії є критерії Рейнольдса, Эйлера, Фруда і критерій .

Таким чином, показано, в якій залежності умови формування рідинної плівки на конічній поверхні зв'язані з особливостями течії рідини в розподільному пристрої. Цим пояснюється зроблена спроба постановки спільної задачі течії в розподільному пристрої і на конічній поверхні. Аналіз рівнянь, що описують даний тип течії, показав, що основними критеріями, що впливають на рух рідинної плівки на конічній поверхні, є наступні комплекси

(8)

Одержання інтегральних характеристик потоку плівки на підставі локальних значень швидкостей і їхній розподіл в потоці можливе, якщо задачу течії на конічній поверхні звести до задачі на циліндричній чи плоскій із уведенням деяких коригувальних функцій. У зв'язку з цим, у розділі зроблена спроба опису такого типу течії на підставі існуючих рішень для плоскої і циліндричної задачі.

У третьому розділі представлене фізичне моделювання розглянутих видів течії. Як робочі рідини використовувалися водяні розчини полівінілового спирту (ПВС) марки 7/2 ДСТ 10779-69, водяні розчини натрієвої солі карбоксиметилцеллюлози (КМЦ) ТУ 6-158-692-72 артикул РД-095-01-372 і вода з волокнистими включеннями. Молекули даної високомолекулярної речовини можуть бути лінійними і розгалуженими, причому довжина молекулярних ланцюгів може бути порівняно велика - перевищувати 1 мкм. Саме лінійна форма макромолекул визначає типові властивості полімеру: каучукоподібна еластичність, здатність утворювати міцні плівки і нитки, набухати, давати при розчиненні в'язкі розчини і т.д.

В'язкість модельних розчинів визначалася на ротаційному віскозиметрі "Реотест-2", погрішність вимірів на який складає (згідно з паспортними даними) не більше 4%. Як показали результати реологічних досліджень, дані розчини добре описуються степеневим законом Освальда де Віля:

(9)

Значення констант K і n представлені в табл.2.

Таблиця 2

Реологічні характеристики модельних рідин.

Рідина Концентрація розчину, % Температура, 0С Консистенція, Індекс течії, n

Водяний розчин ПВС 4,0 20 0,028 0,915

6,0 1,057 0,873

8,0 11,430 0,814

1,0 0,043 0,770

Водяний Розчин КМЦ 0,5 20 0,019 0,802

1,0 0,043 0,770

2,0 0,191 0,724

3,0 0,605 0,608

5,0 3,964 0,561

Досліджувалася течія цих розчинів на експериментальному стенді, схема якого представлена на рис.2. Стенд давав можливість робити візуалізацію плівкової течії, визначати щільність зрошення, товщину плівки на поверхні з кутами конусності, що змінюються в межах 32о-44о. Для даних конічних поверхонь характерно те, що в залежності від кута конусності змінювався закон кривизни поверхні (рис.3). Стенд дозволяв змінювати ступінь шорсткості поверхні. Обробка експериментальних даних здійснювалася за допомогою ПЕОМ. Результати експерименту були зведені у відповідні таблиці і на їхній підставі були побудовані основні характеристики. Похибка проведених експериментів не перевищувала 8%.

Четвертий розділ присвячений аналізу отриманих результатів і зіставленню даних результатів з результатами математичного моделювання.

Установлено, що товщина плівки на конічній поверхні змінюється уздовж утворюючої при різних значеннях узагальненого числа Рейнольдса відповідно до даних, приведеними на рис.4.

На підставі приведених даних зроблено зіставлення закону зміни середньої товщини плівки для досліджуваної рідини з даними інших авторів, рис.5. Таке зіставлення дозволило одержати залежність для середньої товщини плівки на розглянутій ділянці конічної поверхні у виді

(10)

де - коригуючий коефіцієнт, значення якого представлено у вигляді

(11)

Коефіцієнт a у рівнянні (11) залежить від кута конусності поверхні (наприклад для кута 34о цей показник складає 0.2743).

У табл.3 представлені результати порівняння експериментальних досліджень з даними розрахунку товщини плівки за формулою для плоскої поверхні.

Таблиця 2

Результати порівняння досліджень товщини плівки на конічній

поверхні з даними для плоскої

Кут конусності поверхні, a Число Рейнольдса, Re Експериментальне значення d, мм Результати розрахунку за формулами для плоскої поверхні

В.Нуссельт П.Л.Капіца

d, мм Розбіжність, % d, мм Розбіжність, %

32о 0,9 1,91 1,31 45,8 - -

5,0 3,11 2,31 34,6 2,15 44,7

11,3 3,62 3,04 16,02 2,82 27,46

36о 0,6 1,82 1,14 59,6 - -

4,8 3,18 2,28 39,47 2,12 50

10,1 3,75 2,93 27,99 2,72 37,87

44о 0,3 1,71 0,91 87,9 - -

5,2 3,46 2,34 47,86 2,18 58,72

8,3 3,84 2,74 40,15 2,55 50,59

Щільність зрошення визначалася на конічній поверхні в нижній частині конуса за допомогою спеціального пристрою.

На рис.6 представлено графік залежності щільності зрошення від відносної товщини плівки . Приведено співставлення характеру цієї залежності для циліндричної та конічної поверхонь. Крива 1 на рис.6 побудована на підставі залежностей, запропонованих К.Файндом і Г.Д.Фулфордом, що має вид

(12)

і проведене зіставлення експериментальних даних на конічній поверхні в порівнянні з циліндричною. На підставі приведених графіків отримані коригувальні коефіцієнти для щільності зрошення на конічній поверхні. Експериментальні дані дозволили відповісти на ряд питань, зв'язаних із впливом характеристики розподільного пристрою, впливом ексцентриситету в розподільному пристрої на потік у плівці. Так, наприклад, як показано у дослідженнях Е.Г. Воронцова, О.М.Яхно, наявність ексцентриситету на циліндричній поверхні приводить до порушення плівкового потоку і формуванню з плівки джгута з наступним закрученням навколо утворюючої. На конічній поверхні, при тих же значеннях ексцентриситету, також можливе формування джгута, однак його закручення навколо утворюючої не спостерігалося. Як показали експерименти, при наявності ексцентриситету, плівкова течія може бути представлена двома областями: у першій області рідина змочує всю поверхню, а в другій області лише частину поверхні. Положення точки переходу від однієї області до іншої залежить від чисел Рейнольдса, Фруда, . На рис.7 показана залежність розміру області плівкової течії при фіксованому напорі від відносного ексцентриситету. При порівняно невеликих відносних ексцентриситетах, коли середня товщина плівки в області за гідродинамічною початковою ділянкою може бути визначена по формулі, справедливій для циліндричної поверхні

(13)

де залежать від кута конусності (для циліндричної поверхні , для конічної поверхні ).

Крім того, наслідком зміни кривизни уздовж конічної поверхні, є переорієнтація волокнистих включень, що спостерігалася нами, яка полягає в тому, що волокна, які виходять з розподільного пристрою й орієнтовані уздовж потоку, по мірі переміщення уздовж конічної поверхні під дією дотичних до поверхні складових швидкості розвертаються поперек потоку. Цей ефект може бути використаний для очищення невеликих кількостей рідини від волокнистих включень, тому що останні можуть бути легко вилучені після переорієнтації сіткою.

На підставі отриманих результатів, у четвертому розділі приведені рекомендації і методика по гідравлічному розрахунку плівкової течії на конічній поверхні. В основу методики покладене припущення про розрахунок параметрів потоку в кілька етапів, що зв'язано з необхідністю одержання даних про реологічні властивості розглянутих рідин і визначенню реологічних констант. Пропонується схема розрахунку, що приведена на рис.8.

Загальні висновки

1. Проаналізовані існуючі дослідження по формуванню рідинної плівки в'язких та аномально-в'язких рідин на різних типах поверхонь, у результаті якого встановлена відсутність досліджень, присвячених течії неньютонівських рідин на конічних поверхнях. Показано, що такі течії формуються на поверхнях, характерною особливістю яких є зміна кривизни уздовж утворюючої. Ця властивість може впливати на гідродинамічні особливості течії рідини в плівці.

2. На підставі зробленого аналізу обґрунтована фізична (концептуальна) модель сумісного опису течії рідинної плівки на конічній поверхні і в розподільному пристрої, яка враховує особливості переходу від напірної течії в розподільному пристрої до течії з вільною поверхнею в плівці.

3. На базі фізичних уявлень про особливості плівкової течії на твердих поверхнях побудована математична модель, яка складається з двох блоків: руху аномально-в'язкої рідини в розподільному пристрої і течії в плівці на конічній поверхні.

4. Проведені експериментальні дослідження плівкових течій на конічних поверхнях, де в якості робочих рідин використовувалися водяні розчини полівінілового спирту. Реологічні властивості розчинів можуть бути описані степеневим законом Освальда де Віля.

5. Експериментальні дослідження впливу реологічних властивостей використовуваних рідин і геометричних особливостей конічних поверхонь показали, що гідродинамічні параметри рідинних плівок суттєво залежать від цих особливостей, причому ця залежність проявляється в тому, що завдяки зміні кривизни поверхні, рух на всій розглянутій ділянці течії плівки є нестабілізованим із змінною величиною .

6. Проведена візуалізація плівкової течії, яка дала можливість пояснити основні особливості формування рідинної плівки на конічній поверхні, вивчити особливості переходу плівкової течії в струминну при наявності ексцентриситету в розподільному пристрої, виявити ефект переорієнтації волокнистих включень вздовж потоку.

7. Отримані розрахункові залежності для визначення щільності зрошення і товщини плівки на конічній поверхні і їхня зміна у відповідності до реологічних властивостей рідини, геометричних параметрів і отриманих автором гідродинамічних критеріїв подібності, зроблена оцінка впливу зміни кривизни конічної поверхні вздовж потоку плівки на її основні характеристики. Проведено аналіз впливу ексцентриситету на розглянуті характеристики.

8. Розроблена інженерна методика розрахунку параметрів плівкового потоку неньютонівських рідин на конічних поверхнях, в основу якої покладені одержані в роботі залежності і відомості про реологічні властивості рідин.

9. Матеріали досліджень упроваджені на відкритому акціонерному товаристві "Фармак" (м. Київ) при проектуванні випарних установок при виробництві діазоліну.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Коваленко В.Ф. Анализ существующих методов исследования течения жидкостных пленок на поверхностях с различной степенью шероховатости //Вестник Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт", Машиностроение, вып. 36, том 2, Киев, 1999, с.321-328.

2. Коваленко В.Ф. Особенности формирования жидкостной пленки на конической поверхности//Вестник Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт", Машиностроение, вып. 38, том 2, Киев, 2000, с.198-200.

3. Коваленко В.Ф., Яхно О.М. О некоторых закономерностях течения жидкостных пленок на конических поверхностях//Гидравлика и гидротехника – К. – 1998 – вып. 59 – с.27-32.

4. Белоносов С.М., Яхно О.М., Коваленко В.Ф. О применении теории гидродинамических потенциалов к расчету жидкостной пленки на поверхности конуса с вертикальной осью //Збірник наукових праць НАУ “Механізація сільськогосподарського виробництва”. Том VI. “Теорія і розрахунок сільськогосподарських машин” Київ, 1999, с.185-189.

5. Коваленко В.Ф., Яхно О.М. Применение пленочных течений в системах очистки рабочих жидкостей гидропривода от волокнистых включений // Зб. наук. пр. Кіровоградського державного технічного університету “Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація”. – Вип. 7. – Кіровоград: КДТУ, 2000. – С. 3 – 8.

6. Яхно О.М., Коваленко В.Ф. Влияние сил инерции на течение вязких сред //Збірник наукових праць НАУ “Сучасні проблеми сільськогосподарського машинобудування”, Том 1, Київ, 1997, с.92-96.

7. Коваленко В.Ф., Яхно О.М. Особенности течения жидкостной пленки с волокнистыми включениями по коническим поверхностям //II Українська науково-технічна конференція “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці”: Черкаси, 27-30 травня 1997 р. Праці, ЧІТІ, 1998.- с. 123- 129.

8. Коваленко В.Ф. Математичне моделювання плівкових течій в'язких та аномально-в'язких рідин по конічних поверхнях //Тези доповідей 61-ї науково-практичної конференції КНУБА – К. – 2000 – с.32.

Анотація

Коваленко В.Ф. Гравітаційна течія аномально-в'язких рідин по конічних поверхнях. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.16 – гідравліка й інженерна гідрологія.

Дисертація присвячена проблемі визначення гідродинамічних параметрів плівкових течій аномальних-в'язких рідин на конічних поверхнях, що знаходять застосування в харчовій, фармацевтичній, хімічній промисловості. На підставі виконаного огляду досліджень, присвячених плину в тонких рідинних шарах, на різного типу поверхнях, узагальнені і проаналізовані основні закономірності таких течій. Встановлено, що відмінною рисою плівкової течії на конічній поверхні, на відміну від плоских і циліндричних, є той фактор, що течія на них відбувається уздовж поверхні з кривизною, що змінюється по довжині. При складанні математичної моделі як вихідне, використовувалося положення про взаємозв'язок плівкової течії на конічній поверхні з течією у розподільному пристрої, що забезпечує перехід від напірні течії до течії в плівці. Знайдено функцію, що коректує відмінність у визначенні таких інтегральних характеристик потоку як щільність зрошення і товщина плівки для конічної поверхні в порівнянні з циліндричною поверхнею.

Фізичне моделювання здійснювалося на експериментальному стенді з використанням модельних рідин, у якості яких були обрані водяні розчини полівінілового спирту і карбоксиметилцелюлози різної концентрації. У результаті проведеного експерименту отримані залежності, що визначають вплив кута конусності на щільність зрошення, зміну товщини плівки по довжині в залежності від реологічних властивостей середовища і кривизни поверхні, відповідне критеріальное співвідношення, що характеризує розглянуту течію. На підставі отриманих аналітичних і експериментальних результатів розроблена інженерна методика розрахунку найважливіших характеристик робочих елементів плівкових апаратів, у яких використовуються конічні поверхні. Виявлено ефекти, що супроводжують плівкову течію на конічних поверхнях і зв'язані з поводженням волокнистих включень у плівці. Апробація запропонованої методики проведена на підприємстві "Фармак", м. Київ.

Ключові слова: плівка, щільність зрошення, кривизна поверхні, аномальна-в'язка рідина, розподільний пристрій, товщина плівки, реологія.

Аннотация

Коваленко В.Ф. Гравитационное течение аномально-вязких жидкостей по коническим поверхностям. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.16 – гидравлика и инженерная гидрология.

Диссертация посвящена проблеме определения гидродинамических параметров пленочных течений аномально-вязких жидкостей на конических поверхностях, находящих применение в пищевой, фармацевтической, химической промышленности. На основании выполненного обзора исследований, посвященных течению в тонких жидкостных слоях на различного типа поверхностях, обобщены и проанализированы основные закономерности таких течений. Установлено, что отличительной особенностью пленочного течения на конической поверхности, в отличие от плоских и цилиндрических, является тот фактор, что течение на них происходит вдоль поверхности с изменяющейся по длине кривизной, в связи с чем является нестабилизированным с изменяющейся по длине толщиной пленки. Учитывая это, сформулированы задачи физического и математического моделирования подобного типа течения аномально-вязких жидкостей, реологические свойства которых моделируются степенным законом Освальда де Виля. При составлении математической модели в качестве исходного положения, использовалось положение о взаимосвязи пленочного течения на конической поверхности с течением в распределительном устройстве, обеспечивающем переход от напорного течения к течению в пленке. В качестве распределительного устройства рассматривались щелевые каналы, образованные цилиндрическими или коническими поверхностями. Найдена функция, корректирующая отличие в определении таких интегральных характеристик потока как плотность орошения и толщина пленки для конической поверхности по сравнению с цилиндрической поверхностью.

Физическое моделирование проводилось на экспериментальном стенде с использованием модельных жидкостей, в качестве которых были выбраны водные растворы поливинилового спирта различной концентрации. Изменение концентрации позволяло варьировать реологические константы n и K . В результате проведенного эксперимента получены зависимости, определяющие влияние угла конусности на плотность орошения, изменение толщины пленки по длине в зависимости от реологических свойств среды и кривизны поверхности, соответствующее критериальное соотношение, характеризующее рассматриваемое течение. На основании полученных аналитических и экспериментальных результатов разработана инженерная методика расчета важнейших характеристик рабочих элементов пленочных аппаратов, в которых используются конические поверхности. Обнаружены эффекты, сопутствующие пленочному течению на конических поверхностях и связанных с поведением волокнистых включений в пленке. Апробация предложенной методики проведена на предприятии "Фармак", г. Киев.

Ключевые слова: пленка, плотность орошения, кривизна поверхности, аномально-вязкая жидкость, распределительное устройство, толщина пленки, реология.

Resume

Kovalenko V.F. The gravitational flow of anomalous - viscous liquids on conic surfaces. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science (Ph.D) by a specialty 05.23.16 - hydraulics and engineering hydrology, Kiev national university of building and architecture.

The thesis is devoted to a problem of determination of hydrodynamic parameters of film flow of anomalous - viscous liquids on conic surfaces used in a food, pharmaceutical, chemical industry. On the base of fulfilled view of researches, devoted to the flow in thin liquid layer on a various type of surfaces, the main regularities of such currents are summarized and analyzed.

Under drawing up of a mathematical model, the condition about correlation of film flow on a conic surface with flow in the distributing system ensuring transition from pressure flow to the flow in a film was used as basis. As the distributing system the weir channels formed by cylindrical or conic surfaces were considered. The function correcting difference in determination of such integrated characteristics of a stream as a denseness of sprinkling and a thickness of a film for a conic surface on a comparison with a cylindrical surface was found.

Based on received analytical and experimental results, the engineering technique of account of major performances of working elements of film was developed, with use in conic surfaces. The approbation of an offered technique was carried out at the factory "Farmak".

Key words are: the film, denseness of sprinkling, curvature of a surface, a anomalous - viscous liquid, distributing system, thickness of a film, rheo-

logy.