Груколенко В.К., к.т.н., доцент, Груколенко А.Г., ст. преподаватель

Харьковский национальный технический университет

сельского хозяйства имени Петра Василенко

МЕТОД КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ СНИЖЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Резкое снижение гидродинамического сопротивления при наличии в жидкости высокомолекулярных полимерных добавок, открытое Томсом в 1948 году , в настоящее время привлекает к себе большое внимание исследователей. Это явление было обнаружено Томсом на растворе полиметилметакрилата в монохлорбензоле.

В Институте тепло- и массообмена АН Белоруссии в 1954 г. был разработан метод уменьшения гидродинамического сопротивления трения, основанный на присадке к жидкости некоторых поверхностно-активных веществ, например, соли жирных кислот с концентрацией веществ в жидкости от 0,01 до 1,0 %.

Следует заметить, что имеются сведения и о более ранних экспериментах по уменьшению гидродинамического сопротивления. Так в 1945 г. при испытании огнеметной установки были зафиксированы аномально низкие значения коэффициента гидравлического сопротивления напалма (бензин, загущенный добавкой алюминиевого мыла) сравнительно с его значением для бензина.

Повышенный интерес к эффекту Томса проявился после того, как было обнаружено, что небольшие добавки таких полимеров, как полиоксиэтилен, полиакриламид и гуаровая смола, могут снизить гидродинамическое сопротивление трения при течении воды по трубам в (2…3) раза.

Механизм снижения гидродинамического сопротивления в настоящее время изучен не до конца. Различными авторами предложены некоторые гипотезы, объясняющие это явление.

По мнению некоторых из них обнаруженный эффект уменьшения гидродинамического сопротивления можно объяснить тем, что молекулы поверхностно-активного вещества, адсорбируясь на стенке, создают ориентированный лиофобный поверхностный слой, способствующий гашению турбулентных пульсаций в потоке и приводящий к скольжению жидкости по стенке.

В потоке ньютоновской жидкости напряжения сдвига:

, (1)

в котором при развитой турбулентности коэффициент характеризует так называемую турбулентную вязкость жидкости.

В неньютоновской жидкости:

, (2)

где - реологическая характеристика консистенции жидкости;

- показатель поведения жидкости;

- скорость сдвига.

Растворы поверхностно-активных полимеров относятся к псевдопластическим жидкостям, поэтому ‹ 1.

Переход от ньютоновской жидкости к реологической неньютоновской связан с заполнением части объема потока посторонними частицами, которые создают так называемый эйнштейновский эффект увеличения вязкости, что при неизменных прочих условиях приводит к снижению числа Рейнольдса, повышению устойчивости ламинарного течения и гашению турбулентных пульсаций.

Поверхностно-активные высокополимеры образуют с жидкостью истинные растворы, т.е. системы гомогенные, термодинамически равновесные и устойчивые. Структурной единицей таких растворов являются сольватированные макромолекулы высокополимерного соединения, которые не удается обнаружить даже при помощи ультрамикроскопа. Распределение поверхностно-активного вещества в объеме потока определяется кинетикой процессов адсорбции молекул полимера на твердой стенке трубы и концентрационной диффузией их от стенки во внутрь потока.

Вблизи стенки трубы под влиянием неуравновешенного молекулярного поля поверхности твердой стенки происходит ориентация молекул высокополимерного вещества, которая ведет к возникновению эффекта скольжения и снижению вязкости в тонком пристенном слое жидкости.

Таким образом, добавка высокополимера к потоку жидкости приводит к появлению неравномерной вязкости по живому сечению потока большей в ядре потока и меньшей в тонком пристенном слое. В результате повышения вязкости жидкости происходит гашение турбулентных пульсаций в ядре потока и повышение устойчивости ламинарного течения. В то же время на периферии потока возникает эффективная скорость скольжения на стенке.

Можно также предположить, что длинные молекулы поверхностно-активного вещества, закрепленные своей лиофильной головкой на стенке и погруженные лиофибным хвостом в поток, изгибаясь в результате гидродинамического воздействия потока, будут препятствовать образованию вихрей на стенке и способствовать гашению турбулентных пульсаций.

Для получения количественных соотношений описываемого явления можно использовать универсальный закон сопротивления Прандтля для гладких труб:

, (3)

где - коэффициент гидравлического трения ньютоновской жидкости;

- средняя скорость движения;

- диаметр трубопровода;

- плотность жидкости;

- динамическая вязкость ньютоновской жидкости.

Этот закон можно распространить на неньютоновские жидкости, для которых справедливо уравнение (2):

. (4)

Показатель поведения жидкости и показатель консистенции жидкости определяются по формулам:

, (5)

где - напряжение сдвига;

. (6)

После некоторых преобразований уравнений (3) и (4) и их совместного решения можно получить формулу для определения коэффициента гидравлического трения, при котором начинает сказываться эффект снижения гидродинамических сопротивлений под влиянием полимерных добавок:

. (7)

Данный метод количественной оценки эффекта снижения гидродинамического сопротивления при помощи полимерных добавок применим только в том случае, когда для исходной ньютоновской и для образовавшейся в результате добавки реологической жидкости справедлив универсальный закон сопротивления (3) и (4).

Литература:

1. Эльперин И.Т. Способ уменьшения гидродинамического сопротивления. Авторское свидетельство, № 169955, «Бюллетень изобретений» № 7, 17. Ш. 1965.

2. Toms B.A. Some observations on the flow of linear polymer solutions through straight tubes at lagre Reynolds number. Proceed. Intern. Rheolog. Congress, Holland, 1948, vol. 2, p. 149.