RU2610607C1 - Research method of aggregate gravitational settling of solid particles in liquids - Google Patents
Research method of aggregate gravitational settling of solid particles in liquids Download PDFInfo
- Publication number
- RU2610607C1 RU2610607C1 RU2015143575A RU2015143575A RU2610607C1 RU 2610607 C1 RU2610607 C1 RU 2610607C1 RU 2015143575 A RU2015143575 A RU 2015143575A RU 2015143575 A RU2015143575 A RU 2015143575A RU 2610607 C1 RU2610607 C1 RU 2610607C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- particles
- layer
- aggregate
- liquid
- diameter
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 161
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 14
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 30
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 claims description 3
- 238000012800 visualization Methods 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 claims description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 abstract 2
- 238000012332 laboratory investigation Methods 0.000 abstract 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 9
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 9
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 9
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 2
- 241001627227 Luna cluster Species 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000010297 mechanical methods and process Methods 0.000 description 1
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 206010037844 rash Diseases 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/04—Investigating sedimentation of particle suspensions
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области разработки способов и установок для лабораторных исследований физических процессов, в частности для исследования закономерностей движения совокупности твердых монодисперсных сферических частиц в жидкой среде при их гравитационном осаждении.The invention relates to the field of development of methods and facilities for laboratory studies of physical processes, in particular for studying the patterns of motion of a set of solid monodisperse spherical particles in a liquid medium during their gravitational deposition.
Процесс движения совокупности частиц в поле силы тяжести играет важную роль в гидродинамике двухфазных (и многофазных) течений. Этот процесс имеет важное практическое значение в задачах экологии (очистка водоемов от примесей), в угольной промышленности (гидроподавление пыли в угольных шахтах), при ликвидации последствий катастрофических явлений техногенного или природного характера (извержение вулканов, промышленные взрывы и т.п.), в теплоэнергетике (сжигание распыленных топлив), в процессах химической технологии (осадительные колонны) и в целом ряде других отраслей техники и технологии [1].The process of movement of a set of particles in a gravitational field plays an important role in the hydrodynamics of two-phase (and multiphase) flows. This process is of great practical importance in environmental problems (cleaning water bodies from impurities), in the coal industry (hydraulic dust suppression in coal mines), and in eliminating the consequences of catastrophic phenomena of anthropogenic or natural nature (volcanic eruptions, industrial explosions, etc.), power engineering (combustion of atomized fuels), in the processes of chemical technology (precipitation columns), and in a number of other branches of engineering and technology [1].
Известно, что характер движения совокупности твердых частиц при гравитационном осаждении в жидкости существенно зависит от их начальной концентрации и формы облака частиц [2]. Теоретический анализ задачи не позволяет однозначно определить форму, коэффициент сопротивления и, следовательно, скорость осаждения совокупности частиц [3]. Для получения достоверных зависимостей используются, как правило, результаты экспериментальных исследований.It is known that the nature of the motion of the aggregate of solid particles during gravitational deposition in a liquid substantially depends on their initial concentration and the shape of the particle cloud [2]. Theoretical analysis of the problem does not allow to unambiguously determine the shape, resistance coefficient and, therefore, the deposition rate of a population of particles [3]. To obtain reliable dependencies, as a rule, the results of experimental studies are used.
Известны способы исследования закономерностей гравитационного осаждения совокупности твердых частиц, основанные на введении частиц в жидкость и их визуализацию при движении [4-6]. Эти способы отличаются механизмом введения в жидкость совокупности твердых частиц.Known methods for studying the laws of gravitational deposition of a set of solid particles based on the introduction of particles into a liquid and their visualization during motion [4-6]. These methods differ in the mechanism of introducing into the liquid aggregate of solid particles.
Известен механический способ введения совокупности частиц, основанный на использовании кассеты и двух пластин, в которых на равных расстояниях просверлено одинаковое количество отверстий [4]. Пластины крепятся к кассете таким образом, что при движении одной из пластин с помощью соленоидов и совмещении отверстий обеих пластин происходит сброс частиц с регулируемым вертикальным расстоянием между частицами.A known mechanical method of introducing a set of particles based on the use of cassettes and two plates in which the same number of holes is drilled at equal distances [4]. The plates are attached to the cartridge in such a way that when one of the plates moves with the help of solenoids and the holes of both plates are aligned, the particles are ejected with an adjustable vertical distance between the particles.
Известен вакуумный способ, согласно которому введение совокупности частиц осуществляют при помощи четырехугольной коробки с просверленными в ней отверстиями [4]. Эти отверстия заполняют частицами и из коробки откачивают воздух. Сброс частиц осуществляют после погружения коробки в жидкость впуском в нее воздуха. Данный способ не позволяет получить совокупность частиц с нулевой начальной скоростью за счет ускорения частиц, создаваемого при впуске воздуха в коробку.A known vacuum method, according to which the introduction of a set of particles is carried out using a quadrangular box with holes drilled in it [4]. These holes are filled with particles and air is pumped out of the box. Particles are discharged after the box is immersed in the liquid with an air inlet. This method does not allow to obtain a set of particles with a zero initial speed due to the acceleration of particles created by the inlet of air into the box.
Известен способ, заключающийся во вводе совокупности частиц при совмещении отверстия цилиндрического контейнера, наполненного частицами, и заслонки, скользящей вдоль дна контейнера [5]. Указанные способы не позволяют получить совокупность равномерно распределенных частиц.A known method is to enter a set of particles by combining the holes of a cylindrical container filled with particles and a shutter sliding along the bottom of the container [5]. These methods do not allow to obtain a set of uniformly distributed particles.
Наиболее близким по технической сущности является способ, согласно которому частицы смешивают с жидкостью и полученную смесь вводят в кювету с жидкостью шприцом, поршень которого перемещают с помощью шагового двигателя [6]. Процесс осаждения совокупности частиц регистрируют видеокамерой, которую перемещают в плоскости движения частиц. Попытки использования данного способа показали, что он не обеспечивает получение совокупности частиц с заданной начальной концентрацией и с нулевой начальной скоростью. При этом после введения совокупность частиц принимает произвольную неконтролируемую форму.The closest in technical essence is the method according to which the particles are mixed with a liquid and the resulting mixture is injected into a cuvette with a liquid by a syringe, the piston of which is moved using a stepper motor [6]. The process of deposition of a set of particles is recorded by a video camera, which is moved in the plane of motion of the particles. Attempts to use this method showed that it does not provide a set of particles with a given initial concentration and with zero initial speed. In this case, after administration, the collection of particles takes an arbitrary uncontrolled form.
При экспериментальном исследовании закономерностей осаждения облака из совокупности частиц принципиально важным является обеспечение строго контролируемых начальных параметров облака (начальная концентрация частиц, близкая к сферической начальной форме облака, нулевая начальная скорость).In an experimental study of the patterns of cloud deposition from a set of particles, it is fundamentally important to provide strictly controlled initial parameters of the cloud (initial particle concentration close to the spherical initial shape of the cloud, zero initial velocity).
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа исследования процесса гравитационного осаждения совокупности твердых монодисперсных сферических частиц, обеспечивающего повышение точности определения основных характеристик и динамики осаждения совокупности частиц за счет создания исходного сферического облака с заданной концентрацией частиц и с нулевой начальной скоростью осаждения.The technical result of the present invention is the development of a method for studying the process of gravitational deposition of a set of solid monodisperse spherical particles, which improves the accuracy of determining the main characteristics and dynamics of the deposition of a set of particles by creating an initial spherical cloud with a given concentration of particles and with a zero initial deposition rate.
Технический результат изобретения достигается тем, что разработан способ исследования процесса гравитационного осаждения совокупности твердых частиц в жидкости, включающий введение смоченных сферических монодисперсных частиц в кювету с жидкостью, выполненную из прозрачного материала в виде правильной призмы, основанием которой является квадрат, и визуализацию процесса осаждения частиц. Частицы предварительно смачивают водным раствором глицерина, размещают на пластину в виде компактно упакованного слоя в форме сферического сегмента, пластину с направленным вниз слоем частиц помещают в кювету с жидкостью, при этом содержание глицерина в растворе выбирают в диапазоне (95÷99) мас. %, диаметр частиц выбирают в соответствии с неравенствомThe technical result of the invention is achieved by the fact that a method has been developed for studying the process of gravitational deposition of a set of solid particles in a liquid, including introducing wetted spherical monodisperse particles into a liquid cuvette made of a transparent material in the form of a regular prism, the base of which is a square, and visualizing the particle deposition process. The particles are pre-wetted with an aqueous solution of glycerol, placed on a plate in the form of a compactly packed layer in the form of a spherical segment, a plate with a downward layer of particles is placed in a cuvette with a liquid, while the content of glycerol in the solution is selected in the range (95 ÷ 99) wt. %, the particle diameter is chosen in accordance with the inequality
сторону квадрата в основании призмы выбирают в соответствии с неравенствомthe side of the square at the base of the prism is chosen in accordance with the inequality
начальную концентрацию совокупности частиц в слое определяют по формулеthe initial concentration of the aggregate of particles in the layer is determined by the formula
где D - диаметр частиц (мм); ρ - плотность материала частиц (кг/м3); b - сторона квадрата в основании призмы (м); С0 - объемная концентрация совокупности частиц; M - суммарная масса совокупности частиц (кг); d, h - диаметр и высота сферического сегмента слоя частиц (м),where D is the particle diameter (mm); ρ is the density of the particle material (kg / m 3 ); b is the side of the square at the base of the prism (m); With 0 - volume concentration of the aggregate of particles; M is the total mass of particles (kg); d, h - the diameter and height of the spherical segment of the particle layer (m),
а изменение формы, размера и скорости осаждения совокупности частиц определяют визуализацией с помощью скоростной видеосъемки, проводимой в двух ракурсах.and the change in the shape, size and deposition rate of a set of particles is determined by visualization using high-speed video shooting, carried out in two angles.
Полученный положительный эффект изобретения связан со следующими факторами:The resulting positive effect of the invention is associated with the following factors:
1. Результаты экспериментов по гравитационному осаждению совокупности твердых сферических монодисперсных частиц в вязкой жидкости [7] показали, что совокупность частиц, которые не смачивают перед их вводом в кювету с рабочей жидкостью, движется как твердое тело неправильной формы. Частицы слипаются между собой, образуя агломерат частиц, смоченный снаружи и несмоченный внутри. Такая группа частиц не представляет собой консолидированную систему, в которой частицы находятся в одинаковых условиях в дисперсионной среде.1. The results of experiments on gravitational deposition of a set of solid spherical monodisperse particles in a viscous liquid [7] showed that a set of particles that are not wetted before being introduced into a cuvette with a working fluid moves like an irregular solid. Particles stick together, forming an agglomerate of particles moistened on the outside and not wetted on the inside. Such a group of particles is not a consolidated system in which the particles are under the same conditions in a dispersion medium.
Предварительное смачивание частиц приводит к образованию жидкого слоя между совокупностью частиц и поверхностью пластины, обеспечивающего адгезию (прилипание) частиц к пластине. Количественная характеристика адгезии определяется капиллярными силами на линии трехфазного контакта [8]. Выбор водного раствора глицерина с концентрацией (95÷99) мас. % обусловлен хорошей смачиваемостью данной жидкостью поверхности частиц и пластины, что подтверждается специально проведенными экспериментами с использованием разных жидкостей. При смачивании частиц глицерином за счет адгезии образуется устойчивый слой частиц (Фиг. 1).Preliminary wetting of the particles leads to the formation of a liquid layer between the aggregate of particles and the surface of the plate, providing adhesion (adhesion) of the particles to the plate. The quantitative characteristic of adhesion is determined by capillary forces on the line of three-phase contact [8]. The choice of an aqueous solution of glycerol with a concentration of (95 ÷ 99) wt. % is due to the good wettability of the surface of the particles and the plate by this liquid, which is confirmed by specially conducted experiments using different liquids. When the particles are wetted with glycerol due to adhesion, a stable layer of particles is formed (Fig. 1).
При введении пластины со слоем твердых частиц в кювету с жидкостью происходит дезинтеграция и отрыв слоя частиц с образованием в начальный момент времени облака из совокупности частиц с формой, близкой к сферической. Далее реализуется гравитационное осаждение совокупности частиц с наблюдаемой эволюцией облака. Отрыв и дезинтеграция слоя частиц при введении в жидкий объем обусловлена исчезновением линии трехфазного контакта и, как следствие, прекращением действия капиллярных сил на ней. В результате динамика совокупности частиц определяется соотношением сил тяжести, Архимеда и гидродинамического сопротивления.When a plate with a layer of solid particles is introduced into a cuvette with a liquid, disintegration and separation of the layer of particles occurs with the formation of a cloud at the initial time from a set of particles with a shape close to spherical. Next, gravitational deposition of a set of particles with the observed evolution of the cloud is realized. The separation and disintegration of the particle layer upon introduction into the liquid volume is caused by the disappearance of the three-phase contact line and, as a consequence, the termination of the action of capillary forces on it. As a result, the dynamics of the aggregate of particles is determined by the ratio of gravity, Archimedes and hydrodynamic resistance.
2. Характер отрыва частиц от пластины и начальная конфигурация облака из совокупности твердых частиц зависит от формы поверхности, с которой частицы отрываются при погружении в рабочую жидкость. Эксперименты по получению консолидированной системы равномерно распределенных частиц для разных форм поверхности отрыва, приведенных на Фиг. 2, показали, что после соприкосновения совокупности частиц с рабочей жидкостью при использовании профилированных форм с углублением (Фиг. 2а, b) отрыв частиц от пластины происходит неравномерно. В первую очередь отрываются частицы, расположенные по краям углубления, которые формируют траектории движения последующих частиц. В результате того, что первые оторвавшиеся частицы начинают двигаться по круговым траекториям, то после отрыва всех частиц от пластины образуются два отдельных облака частиц. При использовании пластины с плоской поверхностью (Фиг. 2с), на которую помещают смоченный слой частиц, происходит равномерный одновременный отрыв частиц с образованием начального сферического облака равномерно распределенных частиц. Данный механизм ввода частиц обеспечивает нулевую начальную скорость совокупности частиц.2. The nature of the separation of particles from the plate and the initial configuration of the cloud from the aggregate of solid particles depends on the shape of the surface with which the particles come off when immersed in a working fluid. The experiments to obtain a consolidated system of uniformly distributed particles for different shapes of the separation surface shown in FIG. 2, showed that after the combination of particles with the working fluid when using profiled forms with a recess (Fig. 2A, b), the separation of particles from the plate occurs unevenly. First of all, particles located at the edges of the recess, which form the trajectories of subsequent particles, come off. As a result of the fact that the first detached particles begin to move along circular paths, then after separation of all particles from the plate, two separate clouds of particles are formed. When using a plate with a flat surface (Fig. 2c), on which a wetted layer of particles is placed, uniform simultaneous separation of particles occurs with the formation of an initial spherical cloud of uniformly distributed particles. This particle injection mechanism provides a zero initial velocity for a population of particles.
3. Начальная форма облака из совокупности частиц зависит от начального распределения частиц на пластине. Эксперименты по введению частиц в жидкость показали, что облако из совокупности частиц сферической формы можно получить только для частиц, расположенных в виде компактно упакованного слоя. Исходная форма облака из совокупности частиц также зависит от формы слоя частиц. Анализ экспериментов по введению частиц в рабочую жидкость показал, что форма слоя частиц в виде сферического сегмента (Фиг. 1) обеспечивает равномерный отрыв частиц от пластины и формирование близкого к сферическому симметричного облака из совокупности частиц. Варьируя высоту h и диаметр d слоя, можно получить облако из совокупности частиц с заданными значениями начальной концентрации и размера.3. The initial shape of the cloud of the aggregate of particles depends on the initial distribution of particles on the plate. Experiments on the introduction of particles into a liquid showed that a cloud of a collection of particles of a spherical shape can be obtained only for particles located in a compactly packed layer. The initial shape of the cloud from the set of particles also depends on the shape of the particle layer. An analysis of experiments on the introduction of particles into the working fluid showed that the shape of the particle layer in the form of a spherical segment (Fig. 1) ensures uniform separation of particles from the plate and the formation of a symmetrical cloud close to spherical from the set of particles. By varying the height h and the diameter d of the layer, it is possible to obtain a cloud from a set of particles with given values of the initial concentration and size.
4. Помещение пластины с направленным вниз слоем частиц в рабочую жидкость обеспечивает равномерный отрыв частиц от поверхности пластины за счет действия силы тяжести и формирование равномерно распределенной совокупности частиц.4. The placement of the plate with a downward layer of particles in the working fluid ensures uniform separation of particles from the surface of the plate due to the action of gravity and the formation of a uniformly distributed set of particles.
5. Наличие адгезионного эффекта (прилипание частиц к пластине) определяется характеристиками смачивающей жидкости, диаметром и плотностью материала частиц. Результаты экспериментов для частиц разных диаметров и плотности показали, что устойчивый слой частиц формируется при их предварительном смачивании раствором глицерина в воде лишь для частиц определенной массы, определяемой их диаметром и плотностью материала (таблица 1).5. The presence of an adhesive effect (particle adhesion to the plate) is determined by the characteristics of the wetting fluid, the diameter and density of the particle material. The experimental results for particles of different diameters and densities showed that a stable layer of particles is formed when they are pre-wetted with a solution of glycerol in water only for particles of a certain mass, determined by their diameter and density of the material (table 1).
Максимальное значение массы одиночной частицы, при котором наблюдается образование устойчивого слоя, составляет m=33⋅10-6 кг. Поэтому диаметр частиц выбирают из условияThe maximum mass of a single particle at which the formation of a stable layer is observed is m = 33⋅10 -6 kg. Therefore, the particle diameter is selected from the condition
где D - диаметр частиц; ρ - плотность материала частиц.where D is the particle diameter; ρ is the density of the particle material.
Подставляя значение m=33⋅10-6 кг в формулу (1), получимSubstituting the value m = 33⋅10 -6 kg in the formula (1), we obtain
Формулу (2) можно представить в удобном для практических расчетов видеFormula (2) can be represented in a form convenient for practical calculations
где [D]=мм; [ρ]=кг/м3.where [D] = mm; [ρ] = kg / m 3 .
В таблице 2 приведены значения максимального диаметра частиц, рассчитанные по формуле (3) для материалов с разной плотностью [8].Table 2 shows the values of the maximum particle diameter calculated by the formula (3) for materials with different densities [8].
6. На эволюцию облака частиц и скорость его осаждения могут влиять стенки кюветы. Когда размеры кюветы и облака из совокупности частиц сравнимы, то наблюдается так называемое «стесненное осаждение» [2, 9], при котором скорость осаждения совокупности частиц уменьшается по мере увеличения их начальной объемной концентрации. Для исключения влияния стенок кюветы на закономерности гравитационного осаждения совокупности частиц при выборе стороны квадрата в основании кюветы использовалась оценка [9]6. The evolution of the cloud of particles and its deposition rate can be affected by the walls of the cell. When the sizes of the cuvette and the clouds from the aggregate of particles are comparable, the so-called “cramped deposition” is observed [2, 9], at which the deposition rate of the aggregate of particles decreases as their initial volume concentration increases. To exclude the influence of the walls of the cell on the laws of gravitational deposition of a population of particles when choosing the side of the square at the base of the cell, the estimate was used [9]
7. При определении начальной объемной концентрации совокупности частиц в слое предполагается, что объем сферического сегмента, образуемого слоем, совпадает с объемом начального сферического облака из совокупности частиц, который формируется сразу же после введения частиц в жидкость. Начальная объемная концентрация совокупности частиц в слое определяют по формуле7. When determining the initial volume concentration of the aggregate of particles in the layer, it is assumed that the volume of the spherical segment formed by the layer coincides with the volume of the initial spherical cloud from the aggregate of particles, which is formed immediately after the particles are introduced into the liquid. The initial volume concentration of the aggregate of particles in the layer is determined by the formula
где V - суммарный объем частиц в слое; Vs - объем сферического сегмента, образующего слой частиц.where V is the total volume of particles in the layer; V s is the volume of the spherical segment forming the layer of particles.
Подставляя в (5) значения V и Vs Substituting in (5) the values of V and V s
получим формулу для определения начальной концентрации частицwe obtain a formula for determining the initial concentration of particles
где М - суммарная масса совокупности частиц (кг); ρ - плотность материала частиц (кг/м3); d, h - диаметр и высота сферического сегмента слоя частиц (м).where M is the total mass of particles (kg); ρ is the density of the particle material (kg / m 3 ); d, h - the diameter and height of the spherical segment of the particle layer (m).
8. Скоростная видеосъемка процесса гравитационного осаждения облака из совокупности частиц позволяет определить эволюцию его формы, изменение объема и скорости осаждения центра масс с высоким временным разрешением. Для заданного значения начальной концентрации частиц по измеренным значениям объема облака в разные моменты времени можно рассчитать изменение концентрации частиц в процессе осаждения.8. High-speed video recording of the process of gravitational cloud deposition from a set of particles allows one to determine the evolution of its shape, the change in the volume and deposition rate of the center of mass with a high temporal resolution. For a given value of the initial concentration of particles from the measured values of the cloud volume at different points in time, it is possible to calculate the change in the concentration of particles during deposition.
Для повышения точности определения основных параметров облака частиц съемку проводят двумя видеокамерами в двух ракурсах (Фиг. 3). Это позволяет с высокой точностью рассчитать параметры облака из совокупности частиц (даже несимметричной формы) компьютерной обработкой двух видеорядов.To improve the accuracy of determining the main parameters of the particle cloud, shooting is carried out by two cameras in two angles (Fig. 3). This allows you to accurately calculate cloud parameters from a set of particles (even asymmetrical shapes) by computer processing of two video sequences.
Пример реализации способаAn example implementation of the method
Пример реализации заявляемого изобретения приведен на Фиг. 3. Твердые сферические монодисперсные частицы предварительно смачивали водным раствором глицерина (97 мас. % глицерина) и размещали на полированной обезжиренной алюминиевой поверхности пластины 1. При этом образовывался устойчивый компактно упакованный слой частиц 2 в форме сферического сегмента.An example implementation of the claimed invention is shown in FIG. 3. Solid spherical monodisperse particles were pre-wetted with an aqueous solution of glycerol (97 wt.% Glycerol) and placed on a polished defatted aluminum surface of the
Пластину с направленным вниз слоем частиц помещали в кювету 3 с жидкостью, выполненную из оптического стекла в виде правильной призмы размером 30×30×90 см. Через промежуток времени ~(0.5÷1.0) с наблюдалась дезинтеграция и отрыв частиц от пластины с образованием начального сферического облака 4 равномерно распределенных частиц.A plate with a downward layer of particles was placed in a
Визуализацию процесса гравитационного осаждения совокупности частиц в жидкости проводили с использованием съемки двумя скоростными цифровыми видеокамерами 5 типа Citius С100 в двух ракурсах с темпом съемки (50÷200) кадров в секунду. Обработка видеорядов проводилась с использованием компьютера 6, на который поступала информация с видеокамер. По результатам обработки экспериментальной информации определялись закономерности эволюции конфигурации облака, изменение его объема, концентрации частиц в облаке, скорости движения центра масс и коэффициента сопротивления облака частиц.The process of gravitational deposition of a set of particles in a liquid was visualized using two high-speed digital video cameras of the Citius C100 type in two angles with a shooting rate of (50 ÷ 200) frames per second. Video sequences were processed using computer 6, which received information from video cameras. The results of the processing of experimental information determined the patterns of evolution of the cloud configuration, a change in its volume, particle concentration in the cloud, the velocity of the center of mass and the drag coefficient of the particle cloud.
Эффективность заявляемого способа подтверждена проведением серии экспериментов по исследованию влияния начальной концентрации на характер гравитационного осаждения и коэффициент сопротивления совокупности частиц при малых числах Рейнольдса [7]. В экспериментах начальная объемная концентрация частиц варьировалась в диапазоне С0=0.032÷0.47 за счет изменения высоты h и диаметра d сферического сегмента слоя частиц в диапазонах h=(1÷5) мм, d(5÷60) мм. В экспериментах использовались стальные диаметром D=(0.2÷2.0) мм и стеклянные диаметром D=1.0 мм шарики. Режим осаждения совокупности частиц варьировался за счет изменения коэффициента динамической вязкости жидкости (водные растворы глицерина) в диапазоне μ=(0.83÷1.34) Па⋅с и диаметра шариков. При этом диапазон изменения чисел Рейнольдса составлял Re=(7⋅10-2÷1.0).The effectiveness of the proposed method is confirmed by a series of experiments to study the influence of the initial concentration on the nature of gravitational deposition and the resistance coefficient of a population of particles at low Reynolds numbers [7]. In the experiments, the initial volume concentration of particles varied in the range C 0 = 0.032–0.47 due to changes in the height h and diameter d of the spherical segment of the particle layer in the ranges h = (1–5) mm, d (5–60) mm. In the experiments, steel balls with a diameter of D = (0.2 ÷ 2.0) mm and glass balls with a diameter of D = 1.0 mm were used. The deposition mode of the aggregate of particles was varied due to a change in the dynamic viscosity coefficient of the liquid (aqueous glycerol solutions) in the range μ = (0.83 ÷ 1.34) Pa⋅s and the diameter of the balls. The range of Reynolds numbers was Re = (7⋅10 -2 ÷ 1.0).
В качестве примера на Фиг. 4 приведены видеокадры процесса гравитационного осаждения совокупности стальных шариков (D=0.7 мм) в водном растворе глицерина (μ=1.12 Па⋅с) в разные моменты времени. Момент времени t=0 с соответствует образованию начального сферического облака из совокупности частиц. Из Фиг. 4 следует, что в процессе осаждения конфигурация и объем облака существенно изменяется, что согласуется с результатами других авторов [6]. Показано, что процесс осаждения облака частиц можно разделить на три стадии: формирование, движение и распад сфероидального облака.As an example in FIG. Figure 4 shows the video frames of the process of gravitational deposition of a set of steel balls (D = 0.7 mm) in an aqueous solution of glycerol (μ = 1.12 Pa⋅s) at different points in time. The time t = 0 s corresponds to the formation of an initial spherical cloud from a set of particles. From FIG. 4 it follows that during the deposition process, the configuration and volume of the cloud changes significantly, which is consistent with the results of other authors [6]. It is shown that the process of deposition of a cloud of particles can be divided into three stages: the formation, movement and decay of a spheroidal cloud.
Обработка результатов проведенной серии экспериментов позволила получить уточненные зависимости для коэффициента сопротивления совокупности частиц от начальной объемной концентрации и режима осаждения в диапазоне малых чисел Рейнольдса (Фиг. 5).Processing the results of a series of experiments made it possible to obtain refined dependences for the coefficient of resistance of a population of particles on the initial volume concentration and deposition mode in the range of small Reynolds numbers (Fig. 5).
Таким образом, из приведенного примера следует, что предлагаемый способ обеспечивает достижение технического результата изобретения - повышение точности определения основных характеристик и динамики осаждения совокупности частиц за счет создания исходного сферического облака с заданной концентрацией частиц и с нулевой начальной скоростью осаждения.Thus, from the above example it follows that the proposed method ensures the achievement of the technical result of the invention — improving the accuracy of determining the main characteristics and dynamics of the deposition of a population of particles by creating an initial spherical cloud with a given concentration of particles and with a zero initial deposition rate.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. - Л.: Химия, 1982. - 288 с. 1. Romankov P.G., Kurochkina M.I. Hydromechanical processes of chemical technology. - L .: Chemistry, 1982. - 288 p.
2. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. - М.: Мир, 1971. - 536 с. 2. Coy S. Hydrodynamics of multiphase systems. - M .: Mir, 1971. - 536 p.
3. Броунштейн Б.И., Фишбейн Г.А. Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных системах. - Л.: Химия, 1977. - 279 с. 3. Brownstein B.I., Fishbein G.A. Hydrodynamics, mass and heat transfer in dispersed systems. - L .: Chemistry, 1977 .-- 279 p.
4. Хоргуани В.Г. О характере и скорости падения системы частиц одинаковых размеров // Физика атмосферы и океана. - 1966. - Т. 2. - №4. - С. 394-401.4. Horguani V.G. On the nature and rate of fall of a system of particles of the same size // Atmospheric and Ocean Physics. - 1966. - T. 2. - No. 4. - S. 394-401.
5. Daniel W.B., Ecke R.E., Subramanian G., Koch D.L. Clusters of sedimenting high-Reynolds-number particles // Journal of Fluid Mechanics. - 2009. - Vol.625. - pp. 371-385.5. Daniel W.B., Ecke R.E., Subramanian G., Koch D.L. Clusters of sedimenting high-Reynolds-number particles // Journal of Fluid Mechanics. - 2009 .-- Vol.625. - pp. 371-385.
6. Metzger В., Nicolas M., Guazzelli E. Falling clouds of particles in viscous fluids // Journal of Fluid Mechanics. - 2007. - Vol.580. - pp. 283-301.6. Metzger B., Nicolas M., Guazzelli E. Falling clouds of particles in viscous fluids // Journal of Fluid Mechanics. - 2007 .-- Vol.580. - pp. 283-301.
7. Arkhipov V.A., Usanina A.S. Gravitational sedimentation of cloud of solid spherical particles at small Reynolds numbers // EPJ Web of Conferences. Thermophysical Basis of Energy Technologies. - 2015. - Vol. 82. 01017.7. Arkhipov V.A., Usanina A.S. Gravitational sedimentation of cloud of solid spherical particles at small Reynolds numbers // EPJ Web of Conferences. Thermophysical Basis of Energy Technologies. - 2015. - Vol. 82.01017.
8. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. - М.: Химия, 1974. - 416 с. 8. Zimon A.D. Fluid adhesion and wetting. - M .: Chemistry, 1974. - 416 p.
9. Хаппель Дж., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса. - М.: Мир, 1976. - 630 с. 9. Happel J., Brenner G. Hydrodynamics at small Reynolds numbers. - M .: Mir, 1976. - 630 p.
10. Мищенко К.П., Равделя А.А. Краткий справочник физико-химических величин. - М.: Химия, 1974. - 200 с. 10. Mishchenko K.P., Ravdel A.A. A quick reference to physical and chemical quantities. - M.: Chemistry, 1974. - 200 p.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015143575A RU2610607C1 (en) | 2015-10-12 | 2015-10-12 | Research method of aggregate gravitational settling of solid particles in liquids |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015143575A RU2610607C1 (en) | 2015-10-12 | 2015-10-12 | Research method of aggregate gravitational settling of solid particles in liquids |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2610607C1 true RU2610607C1 (en) | 2017-02-14 |
Family
ID=58458690
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015143575A RU2610607C1 (en) | 2015-10-12 | 2015-10-12 | Research method of aggregate gravitational settling of solid particles in liquids |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2610607C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2703935C1 (en) * | 2018-11-29 | 2019-10-22 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ) | Method of investigating deposition of a spherical cloud of polydisperse solid particles in a viscous liquid |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3896660A (en) * | 1973-12-26 | 1975-07-29 | Univ Michigan Tech | Sedimentation device |
| SU805130A1 (en) * | 1978-07-20 | 1981-02-15 | Предприятие П/Я А-1857 | Sedimentometer for analysis of granulated materials |
| US4794789A (en) * | 1986-12-22 | 1989-01-03 | University Of Iowa Research Foundation | Rapid sediment analyzer |
| RU2254564C1 (en) * | 2003-10-27 | 2005-06-20 | Читинский государственный технический университет (ЧитГТУ) | Method and device for determining characteristics of loose material |
-
2015
- 2015-10-12 RU RU2015143575A patent/RU2610607C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3896660A (en) * | 1973-12-26 | 1975-07-29 | Univ Michigan Tech | Sedimentation device |
| SU805130A1 (en) * | 1978-07-20 | 1981-02-15 | Предприятие П/Я А-1857 | Sedimentometer for analysis of granulated materials |
| US4794789A (en) * | 1986-12-22 | 1989-01-03 | University Of Iowa Research Foundation | Rapid sediment analyzer |
| RU2254564C1 (en) * | 2003-10-27 | 2005-06-20 | Читинский государственный технический университет (ЧитГТУ) | Method and device for determining characteristics of loose material |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Metzger В., Nicolas M., Guazzelli E. "Falling clouds of particles in viscous fluids ", Journal of Fluid Mechanics, 2007, pp. 283-301. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2703935C1 (en) * | 2018-11-29 | 2019-10-22 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ) | Method of investigating deposition of a spherical cloud of polydisperse solid particles in a viscous liquid |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ouriemi et al. | Sediment dynamics. Part 1. Bed-load transport by laminar shearing flows | |
| Richardson et al. | Sedimentation and fluidisation: Part I | |
| Hourlier-Fargette et al. | Role of uncrosslinked chains in droplets dynamics on silicone elastomers | |
| FRANKLIN et al. | Subaqueous barchan dunes in turbulent shear flow. Part 1. Dune motion | |
| Stolzenbach et al. | The effect of particle density on collisions between sinking particles: implications for particle aggregation in the ocean | |
| Smoluchowski | On the practical applicability of Stokes' law of resistance, and the modifications of it required in certain cases | |
| Lopez et al. | Rising bubbles in yield stress materials | |
| Padhi et al. | Hydrodynamics of water-worked and screeded gravel beds: A comparative study | |
| Mouzai et al. | Water drop erosivity: Effects on soil splash | |
| Richards | Experiments on the penetration of an interface by buoyant thermals | |
| RU2610607C1 (en) | Research method of aggregate gravitational settling of solid particles in liquids | |
| Nishida et al. | Effects of density ratio and diameter ratio on critical incident angles of projectiles impacting granular media | |
| Soler et al. | Sediment deposition from turbidity currents in simulated aquatic vegetation canopies | |
| Mohammed et al. | Studying the factors affecting the settling velocity of solid particles in non-Newtonian fluids | |
| RU2617167C1 (en) | Installation for studying deposition of solid particles aggregate in liquid | |
| Neretnieks et al. | Clay erosion: impact of flocculation and gravitation | |
| Arkhipov et al. | Regimes of sedimentation of a consolidated system of solid spherical particles | |
| RU2620761C1 (en) | Method for investigation of deprivation of a spherical cloud of solid particles in liquids | |
| Nguyen-Thi et al. | An experimental and numerical study of the influence of viscosity on the behavior of dam-break flow | |
| RU2703935C1 (en) | Method of investigating deposition of a spherical cloud of polydisperse solid particles in a viscous liquid | |
| Li et al. | Study on the shear stress and interfacial friction of droplets moving on a superhydrophobic surface | |
| Kaitna et al. | Flow of different material mixtures in a rotating drum | |
| Bognár et al. | Non-Newtonian fluid flow down an inclined plane | |
| Pond et al. | Particle dissolution during settling in the oceans | |
| Quaresma et al. | The influence of articulated and disarticulated cockle shells on the erosion of a cohesive bed |