Характер движения гидросмеси

Рассматривая процесс движения гидросмеси можно утверждать, что движение твердых частиц по сечению пульповода неравномерно. Так при вертикальном гидротранспортировании частицы твердого стремятся к центральной части сечения (ядру потока) под действием силы Мангуса (рис. 31). Согласно распределению скоростей по профилю скорость жидкости на стороне частицы, обращенной к стенке трубы (), меньше, чем на стороне обращенной вовнутрь трубы (). Вследствие этого согласно закону Бернулли возникает сила Мангуса (F_м), направленная в сторону оси потока. Одновременно разница в скоростях обтекания частицы вызывает ее вращение [12].

П ри горизонтальном гидротранспорте консистенция гидросмеси возрастает в нижней части сечения, а в верхней наоборот падает, что обусловлено действием на частицы силы тяжести (рис. 32).

Одной из особенностей движения потока гидросмеси является наличие внутренних поверхностей раздела между жидкостью и твердыми телами, на которых возникают сложные силовые взаимодействия, существенно влияющие на поля скоростей и давления. Поверхности раздела неустойчивы и быстро распадаются, образуя вихревые массы различных размеров. Движение крупных частиц значительно усложняет вихревую структуру потока.

Траектория движения частиц твердой фазы гидросмеси имеет сложную форму. Частицы соударяются между собой и стенами пульповода, меняют траекторию движения под воздействием струй турбулентного потока. Как правило, при горизонтальном гидротранспортировании частицы движутся по «скачкообразной» траектории [8]. При вертикальном – чаще наблюдается спиралевидная.

Скорости движения отдельных фаз гидросмеси не равны (рис. 32). Мгновенные скорости фаз в различных точках поперечного сечения имеют весьма значительный разброс вплоть до отрицательных. Среднее квадратичное отклонение скорости частиц от среднего ее значения достигает 2530%. Частота колебаний скорости частиц может измеряться десятками герц, а осредненные ускорения – десятками м/с².

В среднем жидкость движется несколько быстрее твердой фазы (за исключением нисходящих участков пульповода). Таким образом, консистенция гидросмеси внутри трубы и на выходе из нее не равны (консистенция внутри пульповода называется истинной, а на выходе из него – расходной). При прочих равных условиях, истинная консистенция гидросмеси на различных участках будет зависеть от угла наклона пульповода.

Средняя скорость движения гидросмеси называется рабочей скоростью. Скорость движения гидросмеси, предшествующая началу процесса осаждения твердых частиц, называется критической скоростью (_кр) (таблица 7). Так как эти скорости зависят от геометрии пульповода, то на различных его участках они могут иметь различные значения.

Таблица 7.

Критическая скорость для различных гидросмесей.

диаметр трубо-провода, м	критическая скорость кр, м/с
	частиц глинистой фракции	частиц песчанистой фракции с примесью глины	песка (50)% и гравия с небольшим содержанием глинистой фракции	гравия и щебня	угля
0,2	1,6	1,9	2,4	3,0	2,0
0,3	1,8	2,1	2,9	3,6	2,5
0,4	2,2	2,4	3,4	4,3	3,0
0,5	2,5	3,0	3,8	4,8	3,3
0,6	2,7	3,2	4,1	5,3	3,6

При скорости потока (рабочей скорости) _р_кр все твердые частицы, содержащиеся в потоке гидросмеси, перемещаются во взвешенном состоянии, но все же определенное их количество находится вблизи дна потока и перемещается периодическими пульсациями. При _р_кр на дне трубопровода образуется постоянный слой заиления.

Критическая скорость движения гидросмеси характеризуется минимальными гидродинамическими сопротивлениями (потерей давления) возникающими в напорном трубопроводе (рис. 33,точка А). При расходе и скорости гидросмеси выше критических значений сопротивление возрастает по параболическому закону. При скорости потока ниже критического наблюдается также возрастание гидродинамического сопротивления движению. Это объясняется отложением более крупных частиц твердой фракции на дне потока, искусственным уменьшением живого сечения трубопровода (заилением) и снижением его гидравлического радиуса.

Наличие частичного заиления (рис. 34) имеет как свои плюсы, так и минусы. При наличии заиления снижается энергоемкость процесса и абразивный износ труб, так как наиболее подверженная износу поверхность защищена слоем твердых частиц. В тоже время заиление уменьшает площадь сечения пульповода, что приводит к снижению производительности. Кроме того, процесс частичного заиления пульповода наблюдается при низкой рабочей скорости, что чревато полным заилением или закупоркой при незначительном ее падении.