8.5.Виды движения жидкости.

При движении однофазного потока в трубе жидкая (или паровая) фаза заполняет все сечение трубы непрерывно, ограничивающей поток поверхностью является стенка трубы, свободная поверхность отсутствует. Скорость потока при обогреве изменяется по радиусу и длине трубы, средняя скорость в любом сечении положительна (по направлению потока).

В двухфазном потоке, в общем случае от х = 0 до х = 1, при установившемся движении скорости жидкой и паровой фаз положительны, обе направлены по ходу среды, количество и распределение их по сечению характеризуются расходными и истинными параметрами течения. Отсутствует свободная поверхность, ограничивающая поток сверху (или снизу).

Движение, при котором жидкость заполняет все сечение трубы, скорости фаз отличны от нуля и поток по направлению течения не ограничен свободной поверхностью, называется напорным. При напорном движении относительная скорость w_ОТН= w_П^Д- w_В^Дможет быть положительной или отрицательной. Какой режим движения будет, если скорость воды или пара будет равна нулю?

Рассмотрим схему потоков воды и пара в барабане парового котла (рис. 8.14). Нижнюю половину барабана занимает жидкая фаза (вода), верхнюю - пар. Жидкая фаза имеет сверху свободную поверхность. Часть воды непрерывно подается в опускные трубы контура циркуляции, а пар удаляется в пароперегреватель. Скорости движения воды и пара в барабане относительно невелики. Из подъемных труб в барабан поступает пароводяная смесь. На паровые пузырьки, попадающие в относительно неподвижную жидкую фазу, действует сила Архимеда, и пузырьки всплывают вверх. Это явление называется барботажем пара через воду. С другой стороны, на каплю воды, попадающей в паровой объем барабана, также действует сила Архимеда, но так как плотность капли (воды) больше плотности окружающего ее пара, сила Архимеда направлена вниз. При малой скорости пара капля воды будет падать в водяной объем. Процесс отделения воды от насыщенного пара называетсясепарацией пара. Барботаж пара и сепарация пара имеют общие закономерности. Движение одной фазы потока в неподвижном или медленно движущемся слое второй фазы, при котором сверху имеется свободная поверхность, разделяющая фазы, называетсябезнапорным движением двухфазной среды. Определяющей силой в безнапорном движении является сила Архимеда.

Напорное движение создается разностью давлений в различных поперечных сечениях потока. Перепад давления между этими сечениями Δp определяется сопротивлением трения, местным сопротивлением, сопротивлением ускорения и нивелирным сопротивлением:

Возьмем два участка, включенных последовательно по схемам (рис. 8.15).

Обозначим давление среды в сечениях 1, 2 и 3 соответственно р₁, р₂, и р₃. Перепад давления на участках Δp₁= p₁- p₂, Δp₂= p₂- p₃, суммарный перепад давления Δp = Δp₁+ Δp₂= p₁- p₃.Для преодоления сопротивления насос должен создать напор, равный Δp, следовательно, движение потока по участкам 1 и 2 происходит под воздействием сил давления, развиваемых насосом, такое движение потока называетсяпринудительным.

Соединим сечения 1 и 3 участков 1 и 2 (схема в рис.8.15) таким образом, чтобы эти участки образовали замкнутую систему. При этом суммарный перепад давления равен нулю:

Δp = Δp₁+ Δp₂= 0.

Будет ли движение среды по участкам 1 и 2? Для ответа на этот вопрос представим сопротивления Δp₁, и Δp₂в развернутом виде:

(8.64)

Сопротивления трения и местные по своей физической природе требуют затрат энергии на их преодоление при движении потока; сопротивление ускорения может быть равно нулю при адиабатном потоке, больше нуля при нагреве и меньше нуля при охлаждении потока, в нашем случае происходит нагрев потока, Δp_УСК> 0

Нивелирное сопротивление при подъемном движении в вертикальной или наклонной трубе положительно, энергия потока, затрачиваемая на преодоление этого сопротивления, идет на увеличение потенциальной энергии потока. При опускном движении нивелирное сопротивление отрицательно, т.е. потенциальная энергия потока превращается в энергию движения потока. Таким образом, нивелирное сопротивление (его называют еще нивелирным напором) на опускном участке может быть источником энергии в замкнутой системе (схема в на рис.8.15).

Тогда

(8.65)

Перегруппируем слагаемые этой формулы

(8.66)

Левую часть выражения (8.86) называют движущим напором

(8.67)

Тогда

(8.68)

Движущий напор в замкнутой системе (схема в, рис. 8.15) зависит от разности плотностей среды на участках 1 и 2, от высоты участков. Плотность среды на участках 1 и 2 зависит от интенсивности обогрева. При этом возможны случаи:

I. Участки 1 и 2 необогреваемы, q₁= q₂= 0; при этом ρ_СР1= ρ_СР2и S_ДВ.I=S_ДВ.11движения потока по участкам 1 и 2 не будет;

II. На участке 1 q₁= 0, на участке 2 q₂> 0: r_СР1> r_СР2и S_ДВ.II= 0 движение потока происходит по направлению: участок 1 - участок 2 (против часовой стрелки);

III. На участке q₁> 0, на участке 2 q₂> 0: r_СР1> r_СР2и S_ДВ.III> 0 но S_ДВ.III< S_ДВ.IIинтенсивность движения потока будет меньше, чем в случае II.

Следовательно, для увеличения движущего напора S_ДВнеобходимо увеличивать ρ_СР1(q₁уменьшать до нуля) и уменьшать ρ_СР2(увеличивать q₂).

Подводимая теплота является внешним источником энергии, необходимой для преодоления сопротивления движению потока в замкнутом контуре. Движение среды по замкнутому контуру называется циркуляцией потока.

Циркуляция, возникающая вследствие разности плотностей среды в необогреваемых или слабообогреваемых трубах с опускным движением среды и обогреваемых трубах с подъемным движением среды, называется естественной. Если в контур циркуляции включить насос, то получим контур смногократной принудительной циркуляцией.

Все указанные виды движения жидкости (однофазной и двухфазной) описываются уравнениями неразрывности, движения, энергии, состояния. Однако начальные и граничные условия для разных видов движения имеют свои особенности, что приводит к различным решениям основных уравнений. Особенности применения уравнений неразрывности, движения, энергии и состояния рассматриваются в последующих главах.