книги из ГПНТБ / Лукьянов, П. И. Аппараты с движущимся зернистым слоем. Теория и расчет

OO-fiO от периферийной зоны OCC-fi с боковой границей, обозна­ ченной прямой ОСІ.

В отсутствии влияния вторичных факторов непосредственно на боковой границе периферийной зоны скорость погружения

веществ к полюсу О равна нулю (см. стр. 124). Справа от линии ОСі находится периферийная зона смежного первичного блока,

вкотором скорость погружения веществ возрастает при переходе

коси симметрии, аналогичной оси 0 0 г (см. рис. 82), затем снова

137

убывает до нуля на боковой границе со следующим первичным блоком и т. д.

Возникнув в начальный период, первичные блоки сохраняются длительное время после образования рассматриваемых ниже вто­ ричных самовозбуждающихся полостей пониженного давления, в которых интенсивно протекает процесс гравитационной диффе­ ренциации исходных веществ средней плотности.

При изменении физико-механических свойств среды, например в результате охлаждения, соотношение между характерными углами а 1 и а 3 изменяется незначительно. Поэтому соотношение между размерами центральной и периферийной зон в каждом первичном блоке и во всех вместе взятых первичных блоках также мало изменяется. С другой стороны, механические свойства ве­ ществ заметно влияют на поперечный размер (ОіСх) первичного блока с полюсом гравитационного погружения в точке О. Как показывает формула (43), при увеличении коэффициента f возра­ стает угол «з и, следовательно, увеличивается поперечный размер первичного блока.

веденной через точку 0Х, обусловлено разгружающим действием сводовой структуры, образующейся вокруг зоны стока ОіАООг.

Точка А лежит на пересечении изолинии , проведенной

по границе зоны стока, с прямой ОС. Ее радиальная координата находится с помощью уравнения (38), в которое входит величина

Учитывая, что при а = О и р = ^ 0(точка 0 Х) уравнение (38) имеет вид

р2а = /?§ = </,.! ( 1 - 0 ) ,

получим следующую формулу для определения расстояния между полюсом О и точкой А:

(8 0 )

При определении величины

138

и р = ро уравнение (39) принимает вид

р20У = Ro — <?2- 1( 1— -уГ~)

^Го

Я2 — foRo•

При а = а х определяем расстояние ОС0 между точкой пере­

сечения изолинии ~ ~ с прямой ОСх и полюсом первичного блока:

р2аг — — /.^ocosai ^sin2ai — y-cos2ai) .

На этой глубине возникает замкнутая сводная структура СоСо. Граница нижней части зоны стока О^АО асимптотически при­ ближается к боковой границе ОС1 и на уровне поверхности Е 0Е 1 практически соприкасается с ней. Ниже этой поверхности обра­

зуется зона сосредоточения наиболее тяжелых веществ.

При объяснении механизма конвекции веществ учтем, что поле деформаций в каждом первичном блоке в начальный период ха­ рактеризуется кривой МоМгМь (рис. 83), имеющей форму мульды опускания. При переходе от центральной зоны к периферийной, на границе 02С, резко возрастает относительная деформация среды,

метрии. При этом образуется вторичный деформационный блок О2С1СІО2, в котором происходит дополнительное опускание среды в направлении полюса 0 2. Во вторичном блоке также имеются

возрастает относительная деформация в направлении полюса 02 (точки М 2 и М4 на рис. 83). Распределение суммарных относи­ тельных деформаций в направлении полюса первичного блока в условиях одновременного действия первичной и вторичной по­ лостей пониженного давления показано кривой М йМ яМъ. Поло­ жение полюса 02гравитационного погружения веществ повышен­ ной плотности во вторичном блоке определяется из условия, что

139

Характерные точки вторичного блока определяются пересе­

Под действием градиента горизонтального давления во вто­ ричную полость пониженного давления перемещаются вещества как из периферийной, так и из центральной зон первичного блока.

Рис. 83. Схема распределения относительных деформа­ ций в отсутствии конвекционных потоков:

Так как из периферийной зоны движется менее дифференцирован­ ное в предшествующий период вещество средней плотности и количество этого вещества больше поступающего с противополож­ ной стороны (вследствие большего градиента давления), то в пра­ вой части полости пониженного давления образуется соответ­ ственно больше веществ повышенной плотности, которые погру­ жаются к поверхности СоСб (кривые 1, 2, 3, 4) и одновременно растекаются в горизонтальном направлении, как показано кри­ выми 5, 6, 7, 8. Поскольку средняя плотность веществ значительно возрастает с увеличением расстояния от поверхности слоя, то пе­ рераспределение погружающегося потока в основном заканчи­ вается на относительно небольшой глубине.

140

Однако, если рассматривать все поле деформаций, включая области очень малых перемещений, накапливающихся за дли­ тельное время, то выявляется клинообразная область J XE J 2 погружения веществ повышенной плотности и смежные с ней области вытеснения исходных веществ J\EE\C\J\ и J 2EE0O1B U 2. Область J XEJ 2 формируется в условиях конвективного и диффу­ зионного'массообмена со смежными зонами по всей их высоте и поэтому средняя плотность веществ в ней на каждом уровне незна­ чительно больше плотности окружающей среды. Выше поверх­ ности СоС'о поперечный размер периферийной области вытесне­ ния уменьшается при уменьшении глубины и у поверхности слоя (точка Сх) восходящий поток превращается в узкую струю ве­ ществ средней плотности. Они выходят на поверхность с относи­ тельно большой скоростью, как показано крайним правым уча­ стком кривой 1, характеризующей распределение вертикальных составляющих скоростей. Кривые 2, 3, 4 показывают распределе­ ние вертикальных компонент скорости на других уровнях.

Основная часть периферийного восходящего потока веществ средней плотности вблизи поверхности слоя преобразуется в го­ ризонтальный поток, движущийся к границе 0 2С. Этот поток, характеризующийся кривыми 5, 6, 7 распределения горизонталь­ ных составляющих скорости, имеет максимальную скорость на небольшом расстоянии от поверхности слоя. При удалении от границы 0СХ поток погружается, кривые распределения стано­ вятся пологими, точки максимума на них смещаются вниз. Одно­ временно сначала уменьшается, а затем вблизи точки М становится отрицательной величина АI перемещения веществ непосредственно' у поверхности слоя. Последнее объясняется тем, что в правую часть вторичной полости пониженного давления движутся веще­ ства из левой части этой полости, как показано кривыми распреде­ ления 8 и 9. Указанные потоки встречаются справа от границы 0 2С, образуя кулисообразный погружающийся поток, отдельные части которого надвигаются одна на другую преимущественно по по­ верхности, обозначенной линией а1а2а3аі. Эта линия является геометрическим местом точек перегиба на кривых распределения вертикальных составляющих скорости и, следовательно, обозна­ чает поверхность наиболее вероятных сдвигов одной части спут­ ного потока относительно другой.

Положение и форма линии ах— ах соответствуют опытным дан­ ным, характеризующим распределение зон прерывистых сдвиго­ вых деформаций справа от границы 0 2С. Линия ах—а4проходит вблизи точек максимума на кривых 6, 7, §„ характеризующих распределение горизонтальных составляющих скорости погру­ жающего потока веществ повышенной плотности. Соединяя точки максимума на других кривых распределения 9, 10,11, 12, получим продолжение кривой ах—а4до точки Е 0. В целом кривая а^— а^—

—а6— а8 характеризует перераспределение скоростей при движе­ нии погружающегося потока от боковой границы 0СХпервичного

' 141.

блока к его оси 0 0 г. При переходе от линии а4—аа к поверхности слоя 0 гВ і' скорость горизонтального перемещения среды к оси 00х сначала уменьшается до нуля у границы СоСо, затем становится отрицательной и возрастает до максимума (по модулю) у поверх­ ности слоя. Во всей области ЕоО\В'{ЕЕо происходит вытеснение веществ из глубинной зоны к поверхности слоя. Интенсивность восходящего потока исчезающе мала ниже границы СоСо, но зна­ чительно возрастает на уровне верхней части вторичной полости пониженного давления. Правая граница центральной области

жение этой границы определяется приведенными ниже данными расчета поперечного размера слоя легких веществ, находящихся выше поверхности гидростатического равновесия.

Вся центральная область вытеснения под поверхностью 0\В’{ представляет собой застойную зону, так как она находится на относительно большом расстоянии от интенсивно действующей правой части вторичной полости пониженного давления С02А 3С. Легкие вещества, выделяющиеся из восходящего потока в верхнем малоподвижном слое вследствие снижения давления, в основном задерживаются в нем, образуя промежуточный слой, и частично перетекают во вторичную зону стока по каналу относительно не­ большой высоты. Последний образуется на уровне Zi—z[, опре­ деляющем положение наиболее интенсивно действующей верхней части вторичной полости пониженного давления. В периферий­ ной зоне первичного блока верхняя граница этого канала нахо­ дится ближе к поверхности 0 1С1, так как восходящий поток ве­ ществ средней плотности преобразуется в горизонтальный поток на небольшой глубине или даже частично поступает на поверхность слоя из рифтовой части. При переходе к границе 0 2С расстояние до поверхности канала в периферийной зоне первичного блока возрастает в соответствии с погружением потока, как показано точками максимума аг и а 2на кривых 5 и 6. Нижняя граница ка­ нала в периферийной и центральной зонах первичного блока на­ ходится примерно на одинаковой глубине или даже ниже в первой зоне. Это объясняется тем, что из периферийной зоны во вторич­ ную полость пониженного давления поступает значительно больше веществ средней плотности, чем с противоположной стороны. Большая глубина поверхности канала в центральной зоне пер­ вичного блока обусловлена меньшей плотностью веществ, накап­ ливающихся в верхней части этой зоны и, как следствие, большей эффективной вязкостью деформируемой среды.

При относительном постоянстве положения границы 0 2С справа от нее интенсивно протекает стохастический процесс агрегатно-сдвиговых деформаций во вторичном блоке в условиях непрерывного поступления веществ средней плотности из глубин периферийной зоны и веществ пониженной плотности из верхнего слоя центральной зоны. Если в сырьевой смеси, поступающей

142

из периферийной зоны первичного блока, содержится, например, мало компонента А и много компонента В, то выход на поверх­ ность веществ, обогащенных компонентом Л, объясняется попа­ данием в область СЛ20 2С веществ поверхностного слоя из цен­ тральной зоны первичного блока. В поверхностном слое пери­ ферийной области первичного блока не обнаруживаются вещества с очень большим возрастом. Это объясняется отсутствием застой­ ной зоны в верхней части указанной области и интенсивной цирку­ ляцией веществ средней плотности в ней. Наоборот, в поверхно­ стном слое центральной области первичного блока, особенно под поверхностью OiCJ, возникает застойная («мертвая») зона.

Существование описанных конвекционных потоков возможно при непрерывном выделении энергии гравитационной дифферен­ циации исходных веществ средней плотности. Интенсивность этого процесса зависит от размеров опускающихся глобул. Для определения средней скорости погружения глобулы диаметром D Е. Н. Люстих рекомендует использовать формулу Стокса

где g — ускорение свободного падения; г) — вязкость среды сред­ ней плотности, в которую погружается глобула веществ повышен­ ной плотности; у х и у — соответственно плотность глобулы и ве­ щества окружающей среды средней плотности. Для среды с ко­ нечным пределом текучести применяют формулу (65), которая в рассматриваемом случае записывается в виде

где т 0— предел прочности среды на сдвиг по вертикальной ци­ линдрической поверхности эквивалентной высоты Я, определяе­ мой из равенства

nD3 ^ nDl

6 — 4

Связь между количествами веществ средней плотности, по­ ступающих во вторичную полость пониженного давления из пе­ риферийной зоны (V, у), легких веществ, выходящих на поверх­ ность слоя на участке М (и2, у2), и веществ повышенной плот­ ности погружающегося потока (ѵх, уа), выражается уравнением

Ѵу = УіУі + i>2y 2.

В этом уравнении по опытным данным известны значения у, у и ѵ2, у 2. Величина ѵг определяется произведением средней скорости погружающегося потока на площадь Si горизонтального сечения правой части зоны стока:

143

С помощью приведенных соотношений определяется прибли­ женное значение ѵ и затем при известном распределении гори­ зонтальных составляющих скорости потока веществ средней плот­ ности оценивается скорость перемещения поверхностного слоя из периферийной зоны первичного блока в направлении границы 0 2С. Расчет профиля скоростей движения веществ в любом сечении первичного блока производят после решения соответствующей гидродинамической задачи. При деформации рассматриваемой среды наблюдаются прерывистые сдвиги агрегатов частиц, вы­ зывающие неупорядоченные колебания давления, частота и ампли­ туда которых изменяются случайным образом. Использу стати­ стические средние значения напряжений, входящих в уравнения (38) и (39), можно определить форму активной зоны и объяснить зависимость энергии сдвигов от ее размеров.

Сводовые структуры вторичных блоков деформируются как системы периодически образующихся агрегатов, ограниченных поверхностями одинаковых главных напряжений. Одновременно с увеличением горизонтальных напряжений в распорной части сводовой структуры уменьшаются напряжения в зоне стока. После того как разность этих напряжений во всех точках большой области достигает критического значения, происходит прерывистый сдвиг осной части блока относительно другой.

Сводовый характер поля напряжений снаружи полости по­ ниженного давления обусловливает почти одновременное высвооиждение значительной части упругих деформаций, накопленных за некоторый период времени. При этом происходит разуплотне­ ние слоя, особенно в зонах наибольших градиентов деформаций. В зоне стока также возникают сводовые структуры, однако на­ капливаемая в них энергия упругих деформаций значительно меньше, чем в основной сводовой структуре. Прерывистые сдвиги в этой пойости регистрируются как колебания относительно небольшой интенсивности.

При объяснении механизма сдвигов рассматриваются различ­ ные силовые модели активной зоны, особенно диполь с моментом и двойной диполь без момента. Однако известны данные, согласно которым никакая силовая модель типа простого разрыва не может удовлетворить наблюдаемой картине первых движений. Эта кар­ тина в некоторых случаях настолько сложна, что для ее объясне­ ния высказывается предположение о перемещении масс в активной зоне под действием несимметрично распределенной четырехпо­ люсной силы.

При деформации среды в условиях активного бокового давле­ ния характер и интенсивность сдвигов определяются суммарным действием напряжений внутреннего и внешнего полей, относитель­ ная роль которых изменяется по мере развития процесса. На пер­ вой стадии в большей степени проявляется действие напряжений внешнего поля. Затем происходит перестройка полей напряже­ ний, что проявляется в изменении пространственного распреде-

Н4

ления сжатий и растяжений в начальных движениях. После неко­ торого периода времени действие напряжений внешнего поля восстанавливается.

При разработке схемы конвекции веществ было принято, что в начальный период процесса гравитационной дифференциации более интенсивное погружение веществ повышенной плотности происходит вблизи оси 0 0 г. Это приводит к образованию пер­ вичного блока с центральной (0 0 гС0) и периферийной (ОССфО) зонами, размеры которых определяются углами а г и сс3. Однако рассмотрение соответствующей схемы образования вторичной полости пониженного давления приводит к выходу, что вещества повышенной плотности погружаются преимущественно у границы ОС или даже несколько правее. Вблизи же оси 0 0 х существует не погружающийся, а восходящий поток. Это кажущееся противо­ речие указывает на возможность объяснения циклических про­ цессов, сопровождающихся опусканием и поднятием слоя легких веществ в определенных областях центральной зоны. Если в пер­ вичном блоке значительно смещается ось симметрии погружающе­ гося потока веществ повышенной плотности, то это приводит к образованию другой вторичной полости пониженного давления, положение которой определяется описанным выше способом. Например, если считать границу 0 2С новой осью симметрии погружающегося потока веществ повышенной плотности, то осью новой вторичной полости пониженного давления является пря­ мая линия, проведенная под углом ос3к главной оси.

Очевидно, что новой осью вторичного блока в центральной зоне является линия 0 0 ъ т. е. старая ось первичного блока. Вблизи этой оси, в соответствии с рассмотренным механизмом деформа­ ций, происходит дополнительное опускание среды в направлении полюса О и, следовательно, возникает вторичная сводовая струк­ тура, под которой образуется вторичная полость пониженного давления. В центральной зоне ранее сформировавшегося пер­ вичного блока условия для интенсивного развития такой полости менее благоприятны вследствие отдаленности ранее образовав­ шейся периферийной зоны, в которой находится менее дифферен­ цированное в предшествующий период вещество средней плот­ ности. Активная начальная стадия функционирования централь­ ной вторичной полости проявляется в опускании поверхностного слоя легких веществ, аналогичном опусканию среды вблизи участка, отмеченного точкой М э на рис. 83. Это является причи­ ной возникновения упомянутой вторичной распорной сводовой структуры над местом опускания. Так как действие периферийной вторичной полости пониженного давления полностью не исчезает, то в первичном блоке некоторый период времени одновременно существуют две вторичные распорные сводовые структуры. Одна из них (периферийная) уменьшается в размерах и при этом сни­ жается интенсивность ее действия; другая (центральная) увели­ чивается в размерах, что приводит к непрерывному возрастанию

горизонтальных напряжений во всей верхней зоне первичного блока.

Вопределенный период времени процесс развития центральной вторичной полости приостанавливается и начинается поднятие поверхностного слоя в условиях действия горизонтальных на­ пряжений в двух одновременно существующих распорных сво­ довых структурах и в промежуточной зоне между ними. При этом главной причиной «всплывания» легких веществ, накапливаю­ щихся в верхней части полости пониженного давления, является действие силы выталкивания, обусловленной большей плотностью окружающей среды. В период своего активного функционирова­ ния центральная вторичная полость пониженного давления спо­ собствует установлению поля деформаций, в котором поток веществ повышенной плотности погружается преимущественно вблизи центральной оси ООг. Затем это поле снова искажается и ста­ новится «аномальным» вследствие возобновления интенсивного действия периферийной вторичной полости пониженного давления

Ит. д.

Впериод развития центральной вторичной полости понижен­ ного давления характер функционирования периферийной вто­ ричной полости не изменяется. Поэтому в периферийной зоне

первичного блока сохраняются указанные на рис. 82 потоки ве­ ществ, т. е. циркуляционное обновление поверхностного слоя в отсутствии возможности образования промежуточного слоя, аналогичного образующемуся в центральной зоне (под поверх­ ностью 0\В'[). Сказанное объясняет кажущееся противоречие между очень большим «возрастом» периферийной зоны, равном возрасту центральной зоны первичного блока, и очень малым воз­ растом поверхностного слоя периферийной зоны.

Изложенное приводит к заключению, что центральная полость пониженного давления в начальный период образования первич­ ного блока функционирует весьма интенсивно, одновременно вы­

в точке О не противоречит этому заключению, так как в начальный период процесс гравитационной дифференциации исходного ве­ щества средней плотности интенсивно протекает в глубинной зоне. При погружении веществ повышенной плотности в глубинной локальной зоне даже относительно небольшого поперечного раз­ мера вокруг оси 00х образуется первичная зона пониженного

Выше было отмечено, что при выделении веществ повышенной плотности под вторичной полостью пониженного давления обра­ зуется зона погружения J 1E J 2, в которой средний химический состав веществ отличается от состава окружающей среды. Эта является причиной возникновения термоэлектрических токов, и, как следствие, очень слабого магнитного поля. В неподвижном

146