64365

Регулювання інтегральних параметрів напірних потоків рідин гідродинамічно активними додатками

Автореферат

География, геология и геодезия

Мета роботи – науково обґрунтувати та розробити засоби енергоощадного керування напірними потоками рідин у трубопроводах за допомогою гідродинамічноактивних додатків включаючи рух рідини змінної витрати встановити закономірності впливу цих додатків на інтегральні параметри потоків рідин.

Украинкский

2014-07-05

17.91 MB

3 чел.

PAGE  2

Київський національний університет

будівництва і архітектури 

Чернюк Володимир Васильович

УДК 532.135:532.542 

регулювання  інтегральних  параметрів  напірних потоків  рідин  гідродинамічно  активними  додатками

05.23.16 – гідравліка та інженерна гідрологія

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гідравліки та сантехніки Національного університету «Львівська політехніка».

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Кріль Степан Іванович,

завідувач відділу двофазних потоків

інституту гідромеханіки НАН України

доктор технічних наук, професор

Ступін Олександр Борисович,

завідувач кафедри фізики нерівноважних процесів, метрології

і екології Донецького національного університету,

Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Рябенко Олександр Антонович,

завідувач кафедри гідроенергетики і гідравлічних машин

Національного університету водного господарства та природокористування

Захист відбудеться “…...”…………………2010 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31, ауд. 319.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.

Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою організації, на адресу: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31, КНУБА, Вчена рада Д 26.056.07.

Автореферат розіслано “……”………..………2010 р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Енергетична криза, що охопила світ, спонукала людство до активного пошуку шляхів енергоощадності. Державний комітет України з науки та техніки поставив задачу й надалі розробляти та впроваджувати в господарство країни ресурсо- й енергоощадні технології. Істотним джерелом економії енергії є зменшення гідродинамічного опору та розробка енергоощадних засобів керування напірними потоками рідин в трубопровідних системах. Серед відомих способів послаблення турбулентного тертя одним із найпоширеніших є уведення в потік малих кількостей гідродинамічно активних додатків.

Невід’ємними частинами багатьох технічних пристроїв є гідравлічні системи, що містять трубопроводи, регулятори витрати та тиску. Розповсюджені засоби гідроавтоматики. На підприємствах нафтопереробної, нафтохімічної та хімічної промисловості сумарна довжина технологічних трубопроводів сягає десятків кілометрів, а їх вартість рівна 25-30 % від затрат на все устаткування. Тривалість спорудження трубопроводів становить 50 % від часу будівництва всього об’єкта. При проектуванні на них припадає біля 30 % від усіх трудозатрат. Від якості проектування і спорудження трубопровідних систем істотно залежить економність, надійність і безпека експлуатації технологічних установок.

В більшості виробництв поширені трубопровідні системи, у яких реалізується рух рідини зі змінною її витратою. Застосовуються розподільчі трубопроводи та трубопроводи-збирачі, прокладені у потоці рідини, що омиває їх зовні. Надійні методи розрахунку, що беруть до уваги усі геометричні параметри перфорованого трубопроводу й гідродинамічні характеристики внутрішнього та зовнішнього потоків рідин а також струменів, які приєднуються до перфорованого трубопроводу або відгалужуються від нього, відсутні. Не вивчено вплив гідродинамічно активних додатків на роботу розподільчих трубопроводів та трубопроводів-збирачів.

Ефективне регулювання інтегральних параметрів напірних потоків рідин потребує знання й застосування законів гідродинаміки, зокрема з урахуванням дії гідродинамічно активних додатків. Послаблюючи турбулентне тертя у циліндричних трубах, додатки здатні багаторазово збільшувати опір форми в трубах змінного перерізу. Цю особливість гідродинамічно активних додатків здобувачем уперше застосовано до розробки енергоощадних засобів керування напірними потоками рідин. Перевагами винайдених засобів є вибухобезпечність, нечутливість до електромагнітних полів, можливість роботи при відносно високих вібраціях, живлення лише гідравлічною енергією, низька вартість. Створення таких технологій і впровадження їх у виробничі процеси, враховуючи широке застосування напірних трубопровідних систем, має важливе значення для України і є актуальним напрямком наукових досліджень.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно державної програми “Про пріоритетні напрями розвитку науки й техніки” і тісно пов’язана з планами держбюджетної тематики кафедри гідравліки та сантехніки Національного університету “Львівська політехніка”, що виконується на замовлення Міністерства освіти і науки України (№ державної реєстрації 0107U004986).

Мета і завдання дослідження. Мета роботи – науково обґрунтувати та розробити засоби енергоощадного керування напірними потоками рідин у трубопроводах за допомогою гідродинамічно-активних додатків, включаючи рух рідини змінної витрати, встановити закономірності впливу цих додатків на інтегральні параметри потоків рідин. 

Задачі, що розв’язувались для досягнення поставленої мети:

– провести аналіз робіт про засоби керування напірними потоками та вплив гідродинамічно активних додатків на гідравлічні параметри напірних потоків;

– теоретично обґрунтувати методи керування напірними потоками рідин за допомогою гідродинамічно активних додатків, включаючи регулювання витрати рідини в трубопроводі, перерозподіл витрат плинного середовища, зменшення нерівномірності роздачі та збирання рідини перфорованими трубопроводами;

– розробити методику експериментального дослідження структури потоків рідин у круглих трубопроводах із місцевими гідравлічними опорами;

– експериментально дослідити закономірності впливу різних гідродинамічно активних додатків на інтегральні параметри напірних потоків рідин у раптових звуженнях і раптових розширеннях труб;

– поглибити фізичне тлумачення механізму дії гідродинамічно активних додатків на інтегральні параметри напірних потоків рідин і отримати розрахункові залежності для обчислення коефіцієнтів місцевих втрат напору в трубопроводах з урахуванням впливу полімерних додатків;

– винайти засоби ресурсо- та енергоощадного регулювання інтегральних параметрів напірних потоків рідин уведенням у них гідродинамічно активних додатків й дати оцінку ефективності запропонованих способів і пристроїв.

– на основі аналізу теоретичних та експериментальних досліджень розробити методики гідравлічних розрахунків напірних розподільчих трубопроводів і трубопроводів-збирачів а також підготовити рекомендації для їх проектування.

Об’єкт дослідження: напірні потоки рідин з гідродинамічно активними додатками.

Предмет дослідження: вплив гідродинамічно активних додатків на місцеві втрати напору в трубопроводах і розробка засобів регулювання інтегральних параметрів напірних потоків рідин.

Методи досліджень: застосовано методи математичного моделювання руху рідини змінної витрати, регулювання параметрів напірних потоків за допомогою гідродинамічно активних додатків, подачі їх у капсулах на вибій свердловини; фізичне моделювання впливу гідродинамічно активних додатків на місцеві втрати напору; використано експериментальні дані для апробації методу розрахунку напірних розподільчих трубопроводів і трубопроводів-збирачів.

Наукова новизна одержаних результатів:

диференціальні рівняння напірного руху рідини змінної витрати доповнено компонентою зовнішнього гідродинамічного тиску; запропоновано новий підхід до розв’язання диференціальних рівнянь руху рідини змінної витрати для напірних розподільчих трубопроводів і трубопроводів-збирачів, суть якого полягає у зведенні змінних величин названих рівнянь до повного робочого напору у цих трубопроводах з урахуванням усіх геометричних параметрів і гідродинамічних характеристик внутрішнього та зовнішнього потоків і струменів, які від’єднуються чи приєднуються, що підвищує точність розрахунку вказаних трубопроводів;

– обґрунтовано зменшення нерівномірності дискретної шляхової роздачі рідини з напірного розподільчого трубопроводу і притоку її до напірного трубопроводу-збирача уведенням у потік гідродинамічно активних додатків;

– теоретично обґрунтовано умови стабілізації витрати рідини у трубопроводі, зі змінним напором на вході, уведенням у потік гідродинамічно-активних додатків;

– теоретично доведено здійснимість, за допомогою уведення в потік гідродинамічно активних додатків, перерозподілу витрат рідини між декількома трубопроводами, що містять ділянки паралельно з’єднаних циліндричних трубок, або трубок періодичного змінного перерізу;

розроблено математичну модель подачі гідродинамічно активних додатків у капсулах (гранулах) на вибій свердловини з урахуванням їх розгону і подальшого вільного падіння у газовому середовищі міжтрубного простору свердловини, далі перетину ними границі розподілу фаз газ-рідина, з наступним гальмуванням капсул у рідині та зависанням у зустрічному потоці рідкого продукту свердловини, де додатки починають діяти на потік рідини, що добувається;

– отримано залежності значень коефіцієнтів гідравлічного опору раптових звужень і раптових розширень труб від їхніх геометричних параметрів і концентрації додатків поліакриламіду у турбулентному потоці води;

 дано одне з можливих фізичних тлумачень дії гідродинамічно активних додатків на втрати напору у плавних і раптових звуженнях і розширеннях труб;

– виявлено залежність гальмівного моменту гідрогальма від ексцентриситету ротора відносно статора у робочій рідині з гідродинамічно активними додатками.

Практичне значення отриманих результатів.

Винайдені засоби керування напірними потоками рідин мають такі переваги: приводяться в дію силами гравітації; доцільні з точки зору виключення використання різних видів енергії (електричної, гідравлічної, пневматичної) в одній системі; функціонують автоматично; надійні при застосуванні на об’єктах з відносно високими вібраціями і запиленістю, та у вибухонебезпечних умовах; нескладні в реалізації й порівняно недорогі. Мають соціальне й екологічне значення.

Методики розрахунку напірних розподільчих трубопроводів і трубопроводів-збирачів упроваджено в навчальний процес у Національному університеті “Львівська політехніка”.

Методику зменшення нерівномірності роздачі води з напірних розподільчих трубопроводів полімерними додатками впроваджено з річним економічним ефектом 67,0 тис. грн. в інституті “Укрдіпросад”, м. Сімферополь.

Технологію автоматичної стабілізації витрати води за допомогою полімерних додатків в автоматизованих протипожежних системах при змінному рівні в живильному резервуарі впроваджено з річним економічним ефектом 192 тис. грн. в Управлінні державної пожежної охорони МВС України у Львівській області.

Запропоновану технологію перерозподілу витрат потоків рідини уведенням в них полімерних додатків упроваджено з річним економічним ефектом 10,3 тис. грн. у ТзОВ Виробничо-впроваджувальна фірма “Пансемал”, м. Яворів.

Спосіб регулювання гальмівного моменту гідрогальма змінюванням ексцентриситету ротора відносно статора у робочій рідині з гідродинамічно активними додатками рекомендуються застосовувати в стендових випробовуваннях двигунів у машинобудуванні.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення представленої роботи отримані та сформульовані здобувачем особисто. Теоретично обґрунтовано керування напірними потоками рідин за допомогою гідродинамічно активних додатків (спосіб регулювання витрати рідини в трубопроводі; спосіб перерозподілу витрат плинного середовища; зменшення нерівномірності роздачі та збирання рідини уздовж напірних перфорованих трубопроводів), а також умови подачі капсул із гідродинамічно активними додатками на вибій свердловин. Дисертантом розроблено методику візуалізації структури потоків рідин у круглих трубах. Експериментально досліджено вплив гідродинамічно активних додатків на місцеві втрати напору. Винайдено енергоощадні засоби керування потоками рідин. Результати теоретичних досліджень здобувача опубліковані одноосібно. У роботах, опублікованих у співавторстві, дисертанту належить постановка завдань, розробка методик досліджень, проведення експериментів, обробка результатів і їх аналіз, висновки, а у винаходах – ідеї та формули винаходів.

Апробація результатів дисертації. Найважливіші результати та головні положення дисертаційної роботи доповідалися на науково-практичних конференціях Національного університету “Львівська політехніка” а також на інших науково-технічних конференціях різних рівнів: “Оптические методы исследования потоков” (Новосибирск, 1993); “Budownictwo i Inzynieria Srodowiska” (Rzeszόw (Poland), 1995, 2009); “Wyznania stawiane komunalnym systemom gospodarki wodnociekowej u progu XXI wieku” (Rzeszów (Poland), 1999); “Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля” (Львів, 2001); “VII Vedecká konferencia s medzinárodnou účasťou” (Košice (Slovakia), 2002); “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (Київ, 1998, 2000, 2010; Черкаси, 2003); Асоціації спеціалістів промислової гідравліки та пневматики (Вінниця, 2002; Київ, 2004; Львів, 2005, 2009); “Проблеми водного господарства” (Рівне, 2006, 2009).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 36 наукових роботах, серед яких 29 у фахових виданнях, 2 патенти на винаходи, 20 праць – одноосібні.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація включає зміст, прийняті позначення, вступ, шість розділів, висновки, список основної використаної літератури з 296 найменувань і 6 додатків. Робота містить 114 рисунків і 4 таблиці. Загальний її обсяг 328 стор., у т. ч. 35 стор. список використаних джерел і 13 стор. додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування: актуальності проблеми керування напірними потоками рідин; необхідності вивчення впливу гідродинамічно активних додатків (ГДАД) на втрати енергії напірних потоків рідин у місцевих гідравлічних опорах (МГО) трубопроводів. Викладені мета й задачі досліджень, новизна та практичне значення отриманих результатів, їх достовірність, реалізація й апробація.

У першому розділі описано засоби і проблеми керування напірними потоками. Показано, що регулювання тиску відомими засобами здійснюється лише в напрямку його зменшення, а енергія струменів керування втрачається безповоротно. У низці випадків регулювання тиску вимагає одночасного використання різних видів енергії в одному пристрої: електричної, гідравлічної і пневматичної, що ускладнює процес.

Засоби регулювання витрат рідини віднесено до трьох груп: а) фізична дія на потік; б) змінювання параметрів стінок труб; в) змінювання властивостей рідини. Половина з відомих засобів регулювання витрат рідини припадає на керування властивостями плинних систем, яке направлене на пониження їхньої в’язкості, та на уведення в потік ГДАД, що свідчить про актуальність цього напрямку досліджень.

У другому розділі подано аналіз робіт про вплив ГДАД на інтегральні параметри напірних потоків. Застосування ГДАД у поєднанні з іншими способами послаблення турбулентного тертя (ПТТ) отримують результат, рівний сумі ефектів від дії кожного з цих методів, зокрема, а то й вищий. Інжекція висококонцентрованих розчинів поліакриламіду (ПАА) та поліоксидетилену (ПОЕ) у турбулентний потік води викликає таке ж ПТТ, як їх розчини, приготовлені заздалегідь. Економічно ефективними полімери є при їх комплексному використанні: для виконання різних задач і поєднанні з іншими методами ПТТ.

Вагомий внесок у вивчення ефекту внесли: A. G. Fabula, J. W. Hoyt, D. F. James, S. Virk, В. Н. Калашников, Г. Ф. Кобец, Л. П. Козлов, С. С. Кутателадзе, І. К. Нікітін, І. Л. Повх, Н. А. Покривайло, Л. І. Сєдов, О. Б. Ступін, Є. М. Хабахпашева та ін. Вплив ГДАД на втрати енергії у МГО досліджували: H. G. Bate, A. N. Magnall, Shima Nobuyki, Masakazu Kita, V. G. Pisolkar, Motoyoshi Tachibana, J. Harris, Jan Švec, В. Б. Амфілохієв, Р. М. Гнатів, В. М. Жук, Е. В. Залуцкий, Ю. Ф. Іванюта, Б. В. Ліпатов, В. І. Орел, Б. С. Піцишин, Б. Н. Семенов, Л. А. Чекалова, О. М. Яхно.

Послаблюють турбулентне тертя (ТТ) малі анізометричні частинки. Найефективнішими з ГДАД є високомолекулярні сполуки з ланцюжковою будовою молекул й міцелотворні поверхнево-активні речовини (МПАР). Унаслідок великого градієнта швидкостей у в’язкому підшарі та буферному поясі видовжені частинки орієнтуються більшими осями вздовж потоку, спричинюючи анізотропію динамічної в’язкості і нерівномірне поглинання турбулентної енергії за різними напрямками. Макромолекули полімеру пригнічують тільки малі турбулентні вихори, сумірні з ними, демпфіруючи пульсації у в’язкому підшарі та перехідному поясі. При віддаленні від стінки масштаб дисипативних вихорів у потоці зростає, а взаємодія макромолекул з вихорами послаблюється і припиняється.

Досліджувався вплив різних ГДАД на втрати енергії у МГО. З’ясовано, що з урахуванням масштабного ефекту літературні дані узгоджуються між собою. Б. В. Ліпатов встановив, що зі збільшенням довжини підвідної труби перед МГО вплив полмерних додатків на значення коефіцієнта МГО  зростає. Причиною цьому є попереднє пригнічування в ній турбулентності, викликане орієнтаційним ефектом анізометричних частинок ГДАД. При ламінарному русі вплив полімерних додатків на місцеві втрати напору мало помітний або ж відсутній.

Методики візуалізації структури напірних потоків розроблені тільки для плоских труб, а результати їх досліджень переносились, з певними допущеннями, на потоки у МГО круглих труб. Опубліковані залежності f несистематичні й потребують доповнень в ширших діапазонах критерію Рейнольдса , концентрацій ГДАД , ступенів звуження  і ступенів розширення  потоків.

Публікації про застосування ГДАД для керування потоками рідин не виявлені.

Опираючись на аналіз літературних даних і враховуючи актуальність теми та господарські потреби країни визначені мета й задачі дисертаційних досліджень.

У розділі 3 теоретично обґрунтовано методи керування напірними потоками рідин за допомогою ГДАД. 

Подача капсул із додатками на вибій свердловини. У системах нафто- і газодобування гранульовані або капсульовані ГДАД доцільно уводити на вибій свердловини. Тоді вони послаблюють ТТ, починаючи з підіймальної труби. На ділянці 0-1 (рис. 1,а,б) капсула (гранула) прискорюється у газовому середовищі міжтрубного простору від швидкості  = 0 до . Швидкість рівномірного падіння  установиться в точці 1 (рис. 1,б), коли сила ваги G урівноважиться архімедовою силою Р і силою опору середовища R (рис. 1,в). Увійшовши в точці 2 у рідину, капсула заповільнюється на ділянці 2-3 до швидкості  з якою рівномірно опускається до точки 4, де на неї набігає зустрічний потік продукту свердловини, що гальмує її. При швидкості висхідного потоку рідини, рівній  капсула, сповільнюючись, зависне в точці 5, де її оболонка руйнується, і ГДАД починають послаблювати ТТ у потоці рідини.

Рис. 1. Розрахункова схема падіння капсули:  

а – профіль свердловини;  б – епюра швидкостей капсули;  в – сили, що діють на капсулу

Зміна швидкості руху капсули (гранули) в часі описується, згідно з другим законом Ньютона, рівнянням

,

(1)

де  – густина капсули,  – густина середовища;  – об’єм капсули;  – коефіцієнт лобового опору капсули;  – міделева площа (рис. 1,в).

Результатом розв’язку рівняння (1) є формули для обчислення довжин ділянки прискорення 0-1 і ділянки гальмування 2-3 капсули відповідно:

;    ,

(2)

де ;  t1 – час розгону капсули до швидкості 1;   t2 – час її гальмування від   до :

;    .

(3)

З (1) отримано відомі формули для швидкостей  і  рівномірного падіння капсули, що має форму кулі. Це підтверджує правильність інших виведених виразів.

Швидкості падіння капсули на ділянках 0-1 і 2-3 відповідно рівні:

   .

(4)

Діаметр капсули, який необхідний для того, щоб вона зависла в продукті свердловини, що набігає на неї зі швидкістю :

.

(5)

Регулювання витрати рідини у трубопроводі. Уведенням ГДАД у потік послаблюється гідравлічний опір трубопроводу пропорційно падінню напору на його початку. Для турбулентних течій водних розчинів ПАА з масовими концентраціями   коефіцієнт Дарсі  для труб малих діаметрів з великим ступенем точності змінюється залежно від С за лінійним законом:

,                        (6)

де  – гідравлічний коефіцієнт тертя для рідини з ГДАД;  – те саме, без додатків; – коефіцієнт пропорційності. Нами доведено, що для стабілізації витрати рідини Q в трубопроводі при змінному напорі Н на його вході (рис. 2) концентрація С ГДАД у потоці повинна лінійно залежати від напору (7):

Рис. 2.  Схема спорожнювання резервуару крізь трубопровід:   – початковий напір;   – те саме, кінцевий

,

(7)

де ;  діаметр трубопроводу; його довжина; коефіцієнт Коріоліса; сума коефіцієнтів місцевих гідравлічних опорів.

Необхідна подача  маточного розчину ГДАД у потік рідини в трубопроводі:

,

(8)

де  масова концентрація маточного розчину ГДАД. Виявлено, що коли висота подавального резервуара  (рис. 2), то витрата рідини в трубопроводі стабілізуватиметься додатками до повного спорожнення резервуару.

Перерозподіл витрат рідини між трубопроводами уведенням ГДАД може застосовуватись у технологічних процесах, коли необхідно періодично збільшувати подачі одних трубопроводів, а інших – зменшувати. На кожному з трубопроводів 3-5 (рис. 3) встановлено ділянку паралельно з’єднаних циліндричних трубок 6, або, те саме, – трубок періодичного змінного перерізу (ТПЗП) 7. Діаметри трубопроводів  підбирають настільки більшими від , щоб весь наявний напір  витрачався на подолання гідравлічного опору ділянок паралельно з’єднаних циліндричних трубок або ТПЗП.

Рис. 3. Схема пристрою для перерозподілу витрат рідини:   1 - резервуар;  

2 - розподільний вузол;  

3-5 - трубопроводи;  

6 - ділянка паралельно з’єднаних циліндричних трубок;   7 - те саме, ТПЗП;   8 - вузол для уведення ГДАД

За відсутності ГДАД у потоці рідини співвідношення витрат для пари трубопроводів, один з яких містить ділянку паралельних циліндричних трубок (Ц), а другий ділянку паралельних ТПЗП, таке:

,

(9)

де                              ;

(10)

і  – відповідно кількість паралельних циліндричних трубок та ТПЗП;  ,  – діаметри трубок; – їх довжини; ,   – відповідно напори на трубопроводах 3 і 4 . При наявності ГДАД у потоці співвідношення витрат рідини для цієї пари трубопроводів зміниться і може максимально зрости на порядок:

,

(11)

або                                   .

(12)

При відсутності ГДАД у потоці  = 1,  =1.

Дискретна шляхова роздача рідини з напірного розподільчого трубопроводу (РТ) зустрічається в іригації, водопостачанні, водовідведенні, вентиляції, металургійній промисловості й ін. На практиці реалізується нерівномірна роздача рідини. На основі рівнянь І. В. Мещерського (1897, 1904 р.) І. В. Маккавеєв у 1928 р. вивів диференціальне рівняння руху рідини змінної витрати (ДРРРЗВ). У 1937 р. Я. Т. Ненько одержав ДРРРЗВ для цілого потоку. Г. А. Петров записує його так:

, (13)

де передостанній член відноситься до приєднання маси, а останній – до її відділення; ; ;  й  – кути між векторами швидкостей основного потоку  і струменя , що приєднується (від’єднується), відповідно у трубопроводі-збирачі (ТЗ) і в РТ. Для циліндричного РТ за умови, що , рівняння (13) набуває виду:

.

(14)

Основи розв’язання ДРРРЗВ заклали Datei Claudio, В. В. Смислов, Ю. М. Константінов, О. А. Василенко, О. Я. Олійник, Н. О. Єзерський, І.І. Науменко, А.М. Кравчук, В.Н. Коваленко, В.І. Бойко, В.М. Жук, Д.О. Чернишов.

Рис. 4. Розрахункова схема напірного потоку із відділенням струменя

Із гідравлічного рівняння зміни кількості руху з урахуванням сили , яка заміняє дію відкиненої частини струменя, що від’єднується (рис. 4), здобувачем отримано доповнене ДРРРЗВ для напірних розподільчих трубопроводів:

.

(15)

У рівнянні (15) сила  урахована доданком .

Основний потік усередині РТ формується від’єднанням від нього дискретних струменів, які під дією повного напору витікають зі швидкостями  через випускні отвори у стінці РТ: . Змінні , , , , , ,  рівняння (15) виражено через повний напір  і незалежну змінну відстань х.

Швидкості струменів, які від’єднуються

,

(16)

де ;   повний тиск внутрішнього потоку рідини у кінці розрахункової ділянки РТ довжиною  (рис. 5,а);    те саме, зовнішнього потоку рідини;    густина рідини усередині РТ;   те саме, зовні РТ;    кут між векторами швидкостей струменя, що від’єднується  (у вихідному перерізі отвору-випуску) та зовнішнього потоку  (рис. 5,б);   швидкість потоку усередині РТ. Диференціал п’єзометричного напору потоку рідини усередині РТ

.

(17)

Рис. 5. Розрахункові схеми РТ:  а) напори, що діють на РТ;  б) кути між напрямками швидкостей рідин:  1 – РТ;  2 – рівень рідини зовні РТ;  3 – п’єзометрична лінія для потоку усередині РТ;  4 – те саме, лінія повного напору;  5 – вихідний насадок;

,  ,    швидкості відповідно струменя, що від’єднується, внутрішнього та зовнішнього потоків рідин;  – вісь РТ

Диференціал шляхової роздачі рідини з розподільчого трубопроводу

,

(18)

де n –кількість отворів, яка припадає на одиницю довжини РТ, ;

– площа одного випускного отвору;  – коефіцієнт його витрати;

,    .

(19)

Диференціали витрати і середньої швидкості переміщення рідини усередині РТ

,

(20)

,

(21)

де площа поперечного перерізу розподільчого трубопроводу.

Витрата рідини, що транспортується всередині розподільчого трубопроводу

,

(22)

де  – витрата на вході в РТ. Середня швидкість потоку усередині РТ:

,

(23)

Диференціал втрат напору на нескінченно короткій ділянці РТ довжиною

.

(24)

Підставивши (16), (17), (21), (23), (24) у рівняння (15), одержали нелінійне інтегро-диференціальне рівняння напірного руху рідини з дискретною шляховою роздачею маси для циліндричного РТ відносно невідомої функції :

(25)

Наприклад, ділянки опору гідравлічно гладких труб зони турбулентного режиму руху рідини коефіцієнт  і його диференціал з урахуванням (23) записуються так:

,     ,

(26)

де                                            .

(27)

Уведено заміну:                           ,

(28)

;    ;    .

(29)

Рівняння (25) зведено до вигляду:

(30)

де  – коефіцієнти. Експериментальні дослідження показали, що невідома функція  має параболічний вид. Отож у рівняння (30) уведено заміну:

,

(31)

,    .

(32)

Взявши граничні умови для початку РТ:  одержали . З урахуванням (28) та  (16) отримали формулу (33), яку записано за умови розрахунку РТ ходом проти потоку (рис. 6). Вираз (33) справедливий для ламінарної і турбулентної течій рідини.

(33)

де

 шпаруватість РТ на розрахунковій ділянці ; ;  .

Рис. 6.  Схема розрахунку РТ:  1 – п’єзометрична лінія;  2 – лінія повного напору;  3 – епюра швидкостей струменів, що від’єднуються; x – вісь РТ

За рівнянням (33) обчислюється витрата рідини усередині РТ. На ділянці  вона зростає у напрямку до початку РТ на величину, яка чисельно рівна шляховій роздачі рідини з РТ на цій же ділянці. Залежність (34) для обчислення повних напорів в РТ ходом проти потоку (рис. 6) отримано диференціюванням рівняння (33).

(34)

Застосування заміни (31) спричинило уведення емпіричного коефіцієнта  = 0,9 у розрахункову формулу (34) перед усіма доданками, окрім першого .

Гідравлічний коефіцієнт тертя  обчислюють за формулами (35)-(38):

при  (ламінарний режим течії)                               ,

(35)

для  < 10 (ділянка гідравлічно гладких труб)         ,

(36)

для  (перехідна ділянка)   ,

(37)

для  > 500 (гідравлічно шорсткі труби)        ,

(38)

а значення критерію Рейнольдса встановлюють за формулою

.

(39)

На виході із РТ у перерізі  (рис. 6) витрата рідини рівна , повний робочий напір . Ним задаються, виходячи з необхідного значення витрати рідини крізь останній отвір .

Отриманий розв’язок перевірено експериментально. Криві 2 для повних напорів (рис. 7,а) і витрат води усередині РТ (рис. 7,б), які отримані за формулами (33)-(39) з урахуванням змінних значень коефіцієнтів витрат водовипускних насадок , практично співпадають з дослідними точками 1 (внутрішні діаметри РТ =8,21 мм; діаметр водовипускних насадок  = 3,2 мм, їх довжини =25 мм).

Нерівномірність шляхової роздачі рідини з РТ усувається зменшенням за допомогою ГДАД втрат напору на ділянках з найвищими швидкостями потоку, тобто на початку і в середній частині РТ, де додатки найефективніше зменшують гідравлічний опір тертя. За відсутності транзитної витрати в кінці РТ, де ,  (режим течій ламінарний і п’єзометрична лінія близька до горизонтальної) немає необхідності в послабленні ТТ. Там, ГДАД не змінюватимуть опору РТ, оскільки проявляють свою дію лише при турбулентному русі.

Рис. 7. П’єзометричний напір (а) та витрата води усередині РТ (б):  1 – дані експерименту;  2 – за формулами (33)-(39);  шпаруватість РТ  f = 1,469;  відстані між п’єзометрами різні вздовж ТЗ; також неоднакові відстані  між випускними насадками (вісь х направлена зустрічно основному потоку в РТ)

Меншому значенню коефіцієнта  у (33) відповідає більша витрата рідини, що роздається із РТ (хід зустрічно потоку в РТ). А з (34) видно, що з зменшенням  послаблюється напір у кінці розрахункової ділянки . Це підтверджено експериментально (рис. 8). Додатки ПАА при їх масовій концентрації у воді   за рахунок послаблення ТТ по довжині РТ збільшили п’єзометричний напір на останній третині РТ на 82,4 %, а при   – на 179,1 % (рис. 8). Відповідно нерівномірність шляхової роздачі рідини зменшилась на 20,6 % для   , а при   – на 36,1 %, що є істотним і може з успіхом застосовуватись на практиці.

Рис. 8. Відносна зміна п’єзометричного напору  при течії в РТ води (2) та водних розчинів ПАА з концентраціями С, кг/кг:   (3);    (5); (D= 8,21 мм, =3,2 мм, f = 1,469)

Напірний рух рідини зі шляховим приєднанням маси. Притік до трубопроводу-збирача (ТЗ) зростає вздовж потоку. Для циліндричного ТЗ ДРРРЗВ є таким:

.

(40)

Запропоновано низку методик розрахунку ТЗ: О. А. Василенко, В. А. Волощук, А. Ф. Дмитрієв, А. М. Кравчук, Ю. М. Константінов, І. І. Науменко, О. Я. Олійник, М. М. Пивовар, В. В. Смислов, М. М. Хлапук й ін.

Рис. 9. Розрахункова схема потоку з приєднанням струменя

З урахуванням сили , яка заміняє дію відкиненої частини струменя, що приєднується (рис. 9), для циліндричного ТЗ отримано доповнене ДРРРЗВ:

.

(41)

Змінні , , , , , ,  виражено через повний напір , під дією якого струмені входять у ТЗ, і через незалежну змінну відстань х. Отримано нелінійне інтегро-диференціальне рівняння напірного руху рідини з дискретним шляховим приєднанням маси для циліндричних ТЗ відносно невідомої функції

.

(42)

Для обох режимів течії рідин розв’язком рівняння (42) є вираз (43). Розрахунок ТЗ ведуть від його голови ходом за течією (рис. 10). Встановлюють значення параметрів  і  на вході в ТЗ. За формулою (43) обчислюють витрату рідини, що приєднується до основного потоку в ТЗ на ділянці довжиною .

(43)

Рис. 10.  Схема до розрахунку ТЗ:  1 – ТЗ;  

2 – епюра швидкостей струменів, що приєднуються;

3 – п’єзометрична лінія для потоку всередині ТЗ;  

4 –лінія повного напору для цього ж потоку;  5 – рівень рідини зовні ТЗ;  

x – вісь ТЗ

Напір Z(x) одержано диференціюванням рівняння (43)

(44)

Коефіцієнт  обчислюють за формулами (35)-(38), а  – за (39). Для ТЗ при відносному кроці вхідних насадок  = 4,3243,2, = 46,3 мм коефіцієнт  = 1,3…2,3.

Значення повних робочих напорів та витрат рідини усередині ТЗ, обчислені за методикою здобувача, добре узгоджуються з результатами експериментів (рис. 11). Використано дослідні дані В. А. Волощука (НУВГП, Рівне, 2001). Значення коефіцієнтів витрат вхідних насадок: , де   критерій Рейнольдса для приєднуваного струменя при теоретичній швидкості  його течії крізь насадку (отвір).

Отримані розрахункові залежності справедливі для коротких, проміжних і довгих ТЗ. Перевагою методу здобувача є урахування кута поздовжнього нахилу ТЗ, кута приєднання струменів, гідродинамічного тиску зовнішнього потоку рідини, фізичних властивостей рідин внутрішнього та зовнішнього потоків, зміни уздовж ТЗ законів його гідравлічного опору.

Нерівномірність притоку до ТЗ усувається зменшенням за допомогою ГДАД втрат напору на перевантажених його середніх і пригирлових ділянках, де швидкості потоку найвищі. Це підтверджується отриманим виразом (44), згідно з яким зі зменшенням значення  понижується робочий напір  у кінці розрахункової ділянки .

Рис. 11. Повний напір (а) і витрата води (б) в ТЗ з різними значеннями  та  в м відповідно:  4,32 та 0,0026 м  (1, 4);  12,5 і 0,1481  (2, 5);  43,19 і 0,2845  (3, 6);  1-3 – дані експерименту;  4-6 – результати обчислень за формулами(35)-(39), (43), (44);  = 46,3 мм;  =10 мм;  ;  ;  ;  – відстані між вхідними насадками

Течія рідини між ексцентричними ротором і статором реалізується у винайденому здобувачем гідравлічному гальмі з регулювальним гальмівним моментом. Показано можливість керування гальмівним моментом гідрогальма регулюванням ексцентриситету ротора відносно статора у робочій рідині з ГДАД. Вплив стінки статора на розподіл пристінних течій розчинів ГДАД у низці випадків є вирішальнішим, ніж діаметр статора та швидкість обертання ротора. Гальмівний момент , що прикладений до бічної поверхні ротора:

,

(45)

де – дотичне напруження на стінці ротора, ; – динамічна в’язкість; – градієнт швидкості рідини за нормаллю до поверхні ротора.

Крутильний момент , що його передає рухома рідина на статор

,

(46)

де – градієнт швидкості потоку за нормаллю до поверхні статора.

Проекціями живих перерізів потоку робочої рідини на площину, нормальну до осей ротора й статора, є криві, ортогональні до бічних поверхонь обох циліндрів. При потенційних течіях – це дуги кіл. Отримано залежності для обчислення довжин живих перерізів потоку в замкненому конфузорно-дифузорному проміжку між ексцентричними ротором і статором.

У четвертому розділі зроблено обґрунтування об’єктів досліджень, подано планування експериментів, наведено характеристики застосованого устаткування.

Стенд витиснювально-циркуляційного типу включає експериментальний трубопровід зі змінними секціями труб з внутрішніми діаметрами від 3,91 до 50,2 мм і робочим напором Н = 3,5 м. Розчини полімерів рухались під дією сил гравітації. У стенді для вивчення структури потоків вузол візуалізації (рис. 12,а,в,г) установлено на експериментальному трубопроводі з D = 96,0 мм і Н = 19 м.

Рис. 12. Вузол візуалізації:  а – складові елементи;  б – оптичний блок ЛДВШ (без кожухів);  в – раптове розширення труби з оптичним блоком;  г – вид на ЛДВШ в напрямку потоку води (D = 96 мм, змонтована діафрагма)

Запропоновано методику візуалізації структури потоків рідин у МГО круглих труб. Лінії течії встановлюються швидкісними кіно- та фотозйомками. Швидкості рідини уточнюються за допомогою винайденого лазерного допплерівського вимірювача швидкості (А. с. 1679384 СССР, М. кл.5 F G 01P 3/36), (рис. 12,б,в,г).

Тонкий плоский відсік потоку прозорої рідини у будь-якій з осьових площин круглої труби з прозорими стінками (рис. 13), що містить МГО, візуалізується плоским світловим потоком з уведенням у потік суспензії алюмінієвої пудри.

Розроблено пристрій для створення плоского світлового потоку.

Рис. 13. Схема кіно- та фотозйомки структури потоку: 1 –  прозора труба;  2 – світловідбивальні частинки; 3 – границі світлового потоку; 4 – пристрій для створення плоского світлового потоку;

5 – кіно- або фотокамера

У дослідах використовувались водні розчини таких ГДАД: високомолекулярні сполуки: ПАА – технічний гель з концентрацією 8 %, ТУ 6-01-1049-81;  Polyox Coagulant (ПОЕ) – порошок з молекулярною масою біля  американської компанії “Union Carbide”;  міцелотворнні поверхнево-активні речовини (МПАР):  Metaupon OMT;  Ditalan OTS-45 – промислові пасти підприємства “Walter Ulbricht” (Східна Німеччина).

Концентрації приготовлюваних розчинів ГДАД обчислювали за масою їх чистої речовини у гелі чи пасті. Сумарна відносна похибка знаходження коефіцієнта Дарсі для труби  = 5,81 мм при  рівна 6,24 %, а при – 1,25 %, а для коефіцієнтів опору конфузорів й дифузорів, при  – 9,3 %.

У п’ятому розділі подано результати експериментальних досліджень впливу ГДАД на втрати енергії у трубах і МГО, проведених з метою перевірки теоретичних положень та поглибленого вивчення явища.

Гладкостінні труби. При ламінарному режимі руху ГДАД не послаблюють опору труб, однак ламінаризують турбулентні течії, затягуючи турбулентний перехід до більших чисел Рейнольдса, який при концентраціях розчинів ПАА  кг/кг є стрибковим (рис. 14).

Рис. 14. Коефіцієнт Дарсі  для труби d = 5,81 мм при течії води – (1) і водних розчинів ПАА різних концентрацій С в кг/кг:   – (2);  – (3);  – (4);  – (5);  – (6);   (7);  

8 – закон Пуазейля;  9 – те саме, Блазіуса (D1 = 25,01 мм;      D2 = 15,72 мм)

Теоретично можливе п’ятикратне ПТТ, що підтверджується залежністю (47) для труб D  34 мм при течіях розчинів ПАА з   при  = 30000

.

(47)

Оптимальні концентрації  для розчинів полімерів і МПАР різні:   для ПОЕ;  – для ПАА;    – для метаупону (рис. 15).

Обчислювались гідродинамічна ефективність  досліджуваних розчинів та відносна зміна коефіцієнта опору , викликані наявністю додатків:

,    ,

(48)

де ,  – коефіцієнт Дарсі для труби при течії відповідно води та водного розчину ГДАД, за однакових інших умов;  ,  – те саме, коефіцієнт місцевого опору.

Рис. 15. Залежності  для різних ГДАД:  ПОЕ – (1);  ПАА – (2);  метаупон + 7 % NaCl – (3), (d=5,81 мм; ) 

У ребристій трубі Aquadrop ГДАД істотніше потовщують турбулентний примежовий шар і перехідний пояс потоку порівняно з гладкими трубами такого ж діаметра.

Раптові звуження труб (РЗТ) є частинними випадками конфузорів з . Ступінь звуження труби обчислюють за формулою:

.

(49)

Зменшення ступеня звуження потоку  у раптовому звуженні труби відповідає зростанню деформації течії. У РЗТ потік, відірвавшись від стінок, продовжує звужуватись після входу у трубу меншого діаметра , після чого розширюється, досягаючи стінок туби. З причини складних деформацій потоку в РЗТ ГДАД збільшують його гідравлічний опір (рис. 16) на порядок вище, аніж опір раптових розширень труб за тих же значень діаметрів,  і  (рис. 17,а,б).

Рис. 16. Залежність для раптового звуження труби від D = 25,01 мм  до d = 5,81 мм при течіях води – (1) і водних розчинів ПАА з концентраціями С  в кг/кг:   – (2);   – (3);  – (4);   – (5);   – (6);   (7);  

(m = 0,054)

При масових концентраціях водних розчинів ПАА   у залежностях  й  реалізуються стрибкові переходи від турбулентної до ламінарної течії, при яких коефіцієнт Дарсі  зростає (рис. 14), а коефіцієнти місцевих опорів  зменшуються (рис. 16 і рис. 19). Для РЗТ з ростом значення ступеня звуження потоку  абсциса стрибка турбулентного переходу переміщається до більших чисел Рейнольдса. Зростання значення m відповідає послабленню деформації потоку і, як наслідок, ламінарний режим реалізується при вищих швидкостях течії. Чим менша деформація потоку у РЗТ, тим більшою є зміна значення коефіцієнта  при турбулентному переході.

Рис. 17.  Залежності для раптових звужень труби (а) та  для раптових розширень труби (б) при різних концентраціях С водного розчину ПАА в кг/кг:

– (1);   – (2);   – (3);   – (4);   – (5);   – (6);

(D1 = var;   D2 = var;  

d = 5,81 мм = const;

Red = 20000) і дані M. Tachibana та  M. Kita (ПАА;  d = 5,36 мм,

D2 = 13,97 мм):  

С=   (7);  

С =   (8)

Утрату стійкості потоку в конфузорах визначають циркуляційні утворення:  при  – кільцеве у кінці конічного патрубка в кутовому поясі перед входом у трубу меншого діаметра ;  для двоє: у кінці та у центральній осевій ділянці конфузора. Пружно-в’язкі властивості розчинів ГДАД сприяють збільшенню розмірів вихорів в напрямку проти течії. Підвищення концентрації С водних розчинів ПАА спричиняє зростання в’язкості розчину і затягування ламінарного режиму течії до більших чисел Рейнольдса (рис. 16). Однак, для підтримки ламінарного режиму руху необхідно втричі більше енергії, ніж при турбулентній течії потоку з цією ж витратою. Підвищення С сприяє настанню незалежності коефіцієнта опору  від критерію  при менших значеннях останнього.

Втрата енергії потоку в’язкопружного розчину ГДАД у конфузорі визначається низкою процесів:  а) збільшення та інтенсифікація вихорів перед входом у трубу меншого діаметра d;  б) розтягування полімерних молекул при звуженні труби;  
в) дестабілізація орієнтаційного ефекту на ділянці розширення транзитного струменя після входу у трубу меншого діаметра;  г) відновлення орієнтаційного ефекту й посилення його у трубі з діаметром d, порівняно з течією у трубі D. Відновлюється ПТТ на відстані (70-140) d від перерізу звуження труби.

Для ступеня звуження труби  і концентрації розчинів ПАА   (рис. 17,а), значення Δζ/ζ для РЗТ не залежать від m. Якщо в місцевій втраті напору визначальним є опір форми (m < 0,7), то загальні затрати енергії, в потоці з ПАА, збільшуються. Коли ж переважають втрати тертя (при m > 0,7), то додатки збільшують опір РЗТ. Відносна зміна коефіцієнта опору РЗТ при розвиненій турбулентній течії водних розчинів ПАА з   описується функцією

,

(50)

де  і  – емпіричні коефіцієнти, які залежать від ступеня звуження труби m.

Гідродинамічна дія полімерів і МПАР якісно однакова, але для рівного ефекту концентрація останніх у розчинах повинна бути майже на порядок вища (рис. 18).

Рис. 18. Залежність  для раптового звуження труби при m = 0,077 для водних розчинів різних ГДАД: ПАА – (1); ПОЕ – (2);  метаупону з додаванням 7% NaCl – (3);   диталану з додаванням 3,5% NaCl – (4);  (D = 20,95 мм,  d = 5.81 мм;  )

Раптові розширення труб (РРТ) є частинним випадком дифузорів з .

Ступінь розширення труби обчислюють за формулою:

.

(51)

Зі зменшенням ступеня розширення потоку  деформація течії у РРТ послаблюється, а абсциси стрибків турбулентного переходу зсуваються до менших чисел . Збільшення n супроводжується зростанням швидкості деформації потоку і пониженням в’язкості розчину ПАА. Як наслідок, звужується діапазон концентрацій, при яких опір РРТ зменшується (рис. 19,а), а різниця між значеннями коефіцієнта  на ординаті стрибка турбулентного переходу зростає. Зі збільшенням С навпаки витягується уздовж осі абсцис ділянка, на якій зменшується  рис. 19,в). При  значення коефіцієнта  незалежне від критерію Рейнольдса. Коли  18,53 і  (рис. 19,б,в) криві опору  розділяються на дві гілки. Верхнє їх положення, що властиве розчинам більших концентрацій, відповідає центральному розташуванню транзитного струменя у РРТ. При нижньому – відхиленому до стінки, зменшується площа контакту струменя з вихровою зоною, а в ділянці його дотику до стінки додатки послаблюють ТТ.

Рис. 19. Залежність  при різних n:  а – 33,09;  б – 18,53;  в – 7,32 для течій води (1) та водних розчинів ПАА з C, в кг/кг:   – (2);    – (3);   – (4);   – (5);   – (6);   – (7);  d = 5,81 мм = const;  D = var

При додатки ПАА посилюють гідравлічний опір РРТ для n>6, послаблюють – для n<6 (рис. 17,б). Криві  мають абсолютні мінімуми для   – при n ≈ 13. Коли n>13 дія ГДАД ослаблюється: .

У течіях рідин з ГДАД крізь РРТ діють дві групи процесів: а) ті, що послаблюють опір РРТ і виявляються в подовженні і стабілізації затопленого струменя; б) ті, що збільшують втрати напору у РРТ і проявляються в посиленні поздовжніх пульсацій швидкості, генеруванні великомасштабних периферійних вихорів, їх ежекції і відновленні орієнтаційного ефекту.

Відмінності структур потоків у раптовому розширенні труби при течіях крізь нього води (рис. 20,а,в) й водного розчину ПАА (рис. 20,б,г) істотні. У потоках води переважають дрібні вихори, а додатки ПАА спричинили появу сумірних з діаметром труби  вихрових утворень. Останні досить помітні на рис. 20,г: зліва видно поперечний перетин конічного вихра, з правого боку  циліндричні вихри. Це узгоджується з відомими твердженнями, що полімерні додатки пригнічують дрібні вихори, сумірні з розмірами їхніх макромолекул і посилюють великі вихори.

Результати дослідів, отримані для розчинів, приготовлених із гелю ПАА через 2…3 місяці після його заводського виготовлення та з гелю, який зберігався 8 років, практично співпали. Гідродинамічна дія полімерів і ПАР на потік у РРТ якісно однакова.

Відносна зміна коефіцієнта опору раптового розширення труби, викликана дією поліакриламіду, знаходиться за формулою

,

(52)

де  і  – емпіричні коефіцієнти, які залежать від ступеня розширення труби .

Трансформація ефекту Томса в МГО. Наявність геометричних неоднорідностей у трубопроводі дестабілізує ефект Томса. У трубі, розташованій безпосередньо перед місцевим гідравлічним опором, ГДАД зменшують ТТ. У МГО, залежно від ступеня деформації потоку в ньому, ефект ослаблюється, або загасає, або втрати напору збільшуються. На ділянці труби, установленої після МГО, якщо вона довга, ефект ПТТ додатками відновлюється і стає істотнішим з віддаленням мірної ділянки від МГО, що пов'язано зі стабілізацією потоку рідини та з поновленням орієнтаційного ефекту.

При відстанях між місцевими опорами меншими, ніж  для звуження труби або  для розширення труби, вони розглядаються, при течіях ньютонівських рідин, як комплексний місцевий опір. У пристрої для перерозподілу витрат рідини між трубопроводами (рис. 3) а також у пристрої для визначення концентрації ГДАД у розчині (рис. 22) застосовано трубки періодичного змінного перерізу. Вони являють собою послідовно з’єднані раптові звуження труби та раптові розширення труби, відстані між якими рівні 2,5. Отож, трубка періодичного змінного перерізу працює як комплексний місцевий гідравлічний опір. При таких коротких патрубках орієнтаційний ефект ГДАД не відновлюється, ефект ПТТ не проявляється. Гідравлічний опір ТПЗП зростає у 20 разів і більше.

Течія між ексцентричними ротором і статором. При коаксіальному розташуванні циліндрів проміжок між ними є кільцевим. При зміщенні статора утворюється замкненений конфузорно-дифузорний проміжок. Отримано зростання середнього дотичного напруження  на стінці ротора у водних розчинах диталану та метаупону, яке посилювалось зі збільшенням неспіввісності циліндрів і числа Тейлора, а також залежало від концентрації розчину МПАР. Це підтверджує гіпотезу здобувача про можливість регулювання гальмівного моменту гідрогальма змінюванням ексцентриситету між ротором і статором, проміжок між якими заповнений робочою рідиною з ГДАД.

Рис. 20. Течія води (а, в) і водного розчину ПАА (б, г) на ділянці труби після раптового розширення від d=38,4 мм до D=96,0 мм (= 0,5 м/с;  ;  на фотографіях (а) і (б) відстань між координатними вертикальними лініями 50 мм;  на фотографіях (в) і (г) відстань від входу в трубу з діаметром D  до початку кадру 300 мм)

У шостому розділі описані ресурсо- та енергозаощаджувальні засоби керування потоками рідин, винайдені здобувачем.

Спосіб регулювання витрати рідини в трубопроводі (Пат. 21829 Україна, М. кл.5  G 05 D 7/00) відноситься до галузі автоматики (рис. 21). Має соціальний ефект і низку переваг при використанні в спринклерних та дренчерних протипожежних системах. Забезпечує автоматичне регулювання витрати рідини в трубопроводі 12 унаслідок керованого змінювання втрат напору по довжині трубопроводу за допомогою ГДАД, пропорційно до зміни напору на вході в трубопровід. Трубопровід 12 у спринклерних (дренчерних) системах постійно заповнений водою. Протягом років його поперечний переріз зменшується внаслідок корозії, або заростання. Уведенням у потік ГДАД відновлюється початкова пропускна здатність трубопроводу і проектна дальність польоту пожежних струменів.

Рис. 21. Регулятор витрати рідини у трубопроводі:  1 – резервуар;  2 – ємність;  3 - рідина;  4 – бачок, що плаває;  5 – маточний розчин ГДАД;  6 – поплавок;  7 – з’єднувальна труба;  8 – сильфон;  9 – шибер;  10 – корпус шибера;  11 – подавальна трубка;  12 – трубопровід;  13 – торовата камера;  14 і 15 – з’єднувальні патрубки

Спосіб перерозподілу витрат плинного середовища (Пат. 47167 Україна, М. кл.5  G 05 D 7/00, F 17 D 1/00) відноситься до галузі автоматики, а саме регулювання витрат рідин, і може застосовуватись у процесах хімічних виробництв. Реалізований у пристрої, зображеному на рис. 3. Цей і попередній способи забезпечуються силами гравітації тому виключають використання різних видів енергії в одній системі, а також мають переваги при застосуванні на об’єктах з відносно високими запиленням і вібрацією, й у вибухонебезпечних умовах.

Спосіб регулювання гальмового моменту гідрогальма і гідрогальмо з регулювальним гальмовим моментом (А. с. 1618912;  А. с. 1695012 СССР, М. кл.5 F 16D 57/00). Винахід відноситься до машинобудування, переважно до стендових випробовувань двигунів, і характеризується пониженими габаритами й енергоємністю приводу статора. Допускає довільну орієнтацію вала ротора у просторі. Гідравлічний опір ротора у рідині з ГДАД регулюють переміщенням статора, утворюючи змінний конфузорно-дифузорний зазор між ними.

Лазерний допплерівський вимірювач швидкості потоку рідини (А. с. 1679384 СССР, М. кл.5 F G 01P 3/36) відноситься до вимірювальної техніки. Призначений для побудови епюр швидкостей у потоках прозорих рідин і газів у МГО прозорих круглих труб і у трубах складного поперечного перерізу (рис. 12,б,в,г).

Пристрій для визначення концентрації ГДАД у розчині (А. с. 1681200 СССР, М. кл.5  G 01N 15/00). Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний для технологічного й лабораторного контролю концентрації ГДАД, які знаходяться в рідині, наприклад високомолекулярних сполук з ланцюжковою будовою молекул. Його дія (рис. 22) ґрунтується на функціональній залежності гідравлічного опору ТПЗП від концентрації ГДАД у рідині.

Рис. 22. Пристрій для визначення концентрації ГДАД у розчині: 1 – поршнева помпа;  2 - термостат;  3 - термометр; 4 - ТПЗП;  5 – диференціальний манометр;  6 - поршень;  7 - черв’ячна передача;  8 - реверс;  9 - понижувальний редуктор;  10 – електропривід; 11, 12, 16 і 17 - з’єднувальні трубки;  13 і 14 - запірні крани;  15 і 19 - ємності;  18 – витратомір

Пристрій для випускання стічних вод періодичної дії (А. с. 1756483 СССР, МКИ E 03F 1/00, 5/12) призначений до застосування у галузі водоохоронних заходів. Включає напірний РТ, прокладений у річці (рис. 23). При скиданні стоків періодичними малими порціями повне їх перемішування з річковою водою відбувається на коротшій відстані, порівняно з безперервним випусканням. Чим коротшою є відстань повного перемішування, тим менше шкоди приноситься річковим фауні та флорі на ділянці перемішування, оскільки в нерозведеному струмені стічної рідини концентрації шкідливих домішок можуть перевищувати гранично допустимі значення.

Рис. 23. Схема водовипуску:  

1, 2 - трубопроводи;  

3 – випуски;  4 - ріка;  

5 - колодязь

Одоризатор газу (а. с. 1116417 СССР, МКИ G 05D 11/02) призачений для пропорційного дозування рідин у напірний потік газу, витрата якого змінна, наприклад, для одоризації природного газу з метою виявлення його витікання та відвернення вибуху утворюваної газо-повітряної суміші. Має соціальний ефект.

Показано ефективність отриманих результатів, включаючи економічний ефект, соціальне значення, екологічний ефект, технічні переваги. Наведено дані про впровадження результатів роботи, супроводжувані відповідними актами.

Окреслено перспективи подальших досліджень.

Висновки

1. Вирішена важлива народногосподарська проблема енергоощадного керування напірними потоками уведенням у них гідродинамічно-активних додатків (ГДАД).

2. Проведено аналіз існуючих засобів керування потоками плинних систем. За дією на потік вони поділяються на локальні, які є керованими місцевими гідравлічними опорами в системах гідроавтоматики, і на лінійні, що послаблюють турбулентне тертя по довжині трубопроводів. Половина відомих засобів лінійної дії припадає на управління властивостями плинних середовищ, включаючи уведення в потік ГДАД, що свідчить про актуальність вибраної теми досліджень.

3. Вперше розроблено математичну модель подачі ГДАД у капсулах (гранулах) на вибій свердловин. За нею розраховуються прискорення, шлях, час розгону капсул, які падають у газовому середовищі міжтрубного простору свердловини а також заповільнення, шлях і час гальмування капсул при перетині ними границі розподілу фаз газ-рідина. Обчислюється діаметр капсули, при якому вона зависне у висхідному потоці продукту свердловини й ГДАД послаблюватимуть турбулентне тертя, починаючи з підіймальних труб свердловин. Вперше теоретично доведено та обґрунтовано можливість керування напірними потоками рідин уведенням у них ГДАД у таких випадках: а) стабілізація витрати рідини; б) перерозподіл витрат рідини між потоками; в) зменшення нерівномірності шляхової роздачі рідини з напірних розподільчих трубопроводів (РТ); г) зменшення нерівномірності шляхового збирання рідини напірними трубопроводами-збирачами (ТЗ). Виявлено можливість регулювання гальмівного моменту гідрогальма змінюванням ексцентриситету ротора відносно статора у робочій рідині з ГДАД.

4. Диференціальні рівняння руху рідини змінної витрати (ДРРРЗВ) для напірних РТ і ТЗ доповнено компонентою зовнішнього гідродинамічного тиску. Усі змінні ДРРРЗВ виражено через повний робочий напір і незалежну змінну відстань. Прийнято параболічний закон зміни витрати рідини. Ураховано всі геометричні параметри перфорованого трубопроводу, гідродинамічні характеристики внутрішнього та зовнішнього потоків і струменів, які від’єднуються від РТ (приєднуються до ТЗ). Виведені залежності уточняють розрахунки напірних РТ і ТЗ, які нахилені до обрію і прокладені у потоці рідини, що їх омиває зовні, а також з непрямими кутами відгалуження (приєднання) струменів.

5. Уперше розроблено методику візуалізації структури потоків води у круглих трубах і місцевих гідравлічних опорах (МГО) круглих труб. Лінії течії в їх осевих площинах встановлюються швидкісними кіно- та фотозйомками, швидкості рідини – винайденим лазерним допплерівським вимірювачем швидкості.

6. Вивчені гідродинамічні процеси у звуженнях і розширеннях труб при наявності у потоці ГДАД. Гідродинамічна дія полімерів і міцелотворних поверхнево активних речовин (МПАР) якісно однакова і посилюється зі зменшенням діаметрів труб. У звуженнях труб енергія потоку витрачається на розтягування макромолекул полімерів і на подолання великих вихорів, утворюваних на ділянці після звуження; у розширеннях труб – на переборення великих вихорів, інтенсивно генерованих на ділянці розширення. Якщо у МГО домінують втрати напору на в’язкісне тертя, то ГДАД їх зменшують; у випадку переважання втрат на опір форми місцеві втрати напору зростають. Вищій концентрації  розчину ГДАД, що не перевищує ефективного значення , відповідає більша зміна значення коефіцієнта МГО  як у випадку послаблення гідравлічного опору так і у випадку його посилення.

7. Зменшення деформації потоку у МГО та збільшення концентрації розчину ГДАД, (яке спричинює зростання в’язкості розчину) супроводжуються затягуванням ламінарного режиму течії до більших чисел Рейнольдса. Для його підтримання необхідно більше енергії, ніж при турбулентному русі. Значення коефіцієнта опору  у зоні ламінарного режиму течії визначається критерієм Рейнольдса. При масових концентраціях водних розчинів ПАА  кг/кг залежності  й  мають стрибкові переходи до турбулентного режиму течії: коефіцієнт Дарсі  зростає, а коефіцієнти опору  зменшуються. Чим менша деформація потоку у МГО, тим більшою є зміна значення коефіцієнта  при турбулентному переході. Із посиленням деформації потоку у МГО початок ділянки незалежності коефіцієнта  від критерію Рейнольдса зміщається у бік менших значень .

8. Для усіх МГО у перехідній ділянці (2500...5600  15000...25000), границі якої залежать від геометричних параметрів МГО, коефіцієнт  залежить від критерію Рейнольдса  та концентрації розчину . При цьому криві опору  для раптового розширення труби при усіх концентраціях, а для конфузора при  розділяються на дві гілки. Верхнє положення кривих  відповідає центральному розташуванню транзитного струменя у МГО, нижнє – відхиленому до стінки труби. Тоді на ділянці контакту струменя зі стінкою послаблюється турбулентне тертя додатками і скорочується площа дотику з вировим поясом і, як наслідок, загальні утрати енергії зменшуються.

9. Гальмівний момент ротора у воді і у розчинах МПАР залежить від їх концентрації і регулюється змінюванням ексцентриситету ротора.

10. Виявлено, що тривале зберігання гелю ПАА (вісім років) не зменшило його гідродинамічної активності, що гарантує надійну роботу винайденого регулятора витрати рідини в автоматизованих протипожежних системах.

11. Опираючись на виявлені закономірності гідродинамічної дії ГДАД на втрати енергії у МГО винайдено енергоощадні засоби керування напірними потоками за допомогою Гдад: регулювання витрати рідини; визначення концентрації ГДАД у розчині; перерозподіл витрат потоків; зменшення нерівномірності роздачі води з РТ; регулювання гальмівного моменту гідрогальма, й ін.

12. Упроваджено з економічними ефектами на підприємствах України такі методики: дослідження структури потоків рідин у круглих трубопроводах засобами візуалізації; зменшення нерівномірності роздачі води з РТ; стабілізація витрати рідини у трубопроводах; перерозподіл витрат потоків рідин; розрахунок подачі ГДАД у капсулах на вибій свердловин;. Методики розрахунку напірних РТ і ТЗ впроваджено у навчальний процес НУ “Львівська політехніка”.

Список основних публікацій за темою дисертації

1. Повх И. Л. Экспериментальное исследование влияния добавок полиакриламида на сопротивление диффузоров / И. Л. Повх, В. В. Чернюк // Инж.-физ. журн. (Ин-т тепло- и массообмена НАН Беларуси, Минск).– 1986.– Т. 51, № 3.– С. 357-361.

Особистий внесок Чернюка В. В.: створення експериментального стенду, проведення дослідів, їх математична обробка й аналіз результатів досліджень.

2. Повх И. Л. Сопротивление конфузоров при турбулентном течении воды с добавками полиакриламида / И. Л. Повх, В. В. Чернюк // Инж.-физ. ж. (Ин-т тепло- и массообмена НАН Беларуси, Минск).– 1989.– Т. 57, № 5.– С. 709-712.

Особистий внесок Чернюка В. В.: створення експериментального стенду, проведення дослідів, математична обробка й аналіз їх результатів, висновки.

3. Чернюк В. В. Вплив поверхнево-активних речовин на місцеві втрати напору в трубопроводах / В. В. Чернюк // Вісн. Львів. політехн. ін-ту. Теплоенергетичні системи та пристрої.– Львів: Свiт.– 1991.– № 256.– С. 66-67.

4. Чернюк В. В. Восстановление эффекта Томса на участке трубы после сужения / В. В. Чернюк, А. С. Пасичнюк, Р. М. Гнатив // Гидравлика и гидротехника.– Киев: Техника.– 1991.– Выпуск 52.– С. 77-86.

Особистий внесок Чернюка В. В.: створення експериментального стенду, проведення дослідів, їх математична обробка й аналіз, висновки.

5. Повх И. Л. Влияние добавок на потери давления при конфузорных и диффузорных течениях в трубопроводах / И. Л. Повх, В. В. Чернюк // Научн. основы турбулент. явлений / Российская АН.– М.: Наука.– 1992.– С. 138-140.

Особистий внесок Чернюка В. В.: створення експериментального стенду, проведення дослідів, їх математична обробка.

6. Чернюк В. В. Пульсуюча течія води з добавками поліакриламіду крізь дифузор / В. В Чернюк // Вісник Держ. ун-ту “Львівська політехніка”. Теплоенергетичні системи та пристрої.– Львiв: ДУ “Львівська політехніка”.– 1994.– № 282.– С. 75-78.

7. Чернюк В. В. Гідрогальмо з регулювальним затримним моментом / В. В. Чернюк // Вісник Держ. ун-ту “Львівська політехніка”. Теплоенергетика, інженерія довкілля. Автоматизація.– Львів: ДУ “Львівська політехніка”.– 1995.– № 291.– С. 54-63.

8. Чернюк В. В. Визначення довжини живого перерізу потоку між неспіввісними ротором і статором / В. В. Чернюк, В. М. Жук, Б. С. Піцишин // Гидравлика и гидротехника.– Киев: Техника.– 1998.– Выпуск 59.– С. 36-39.

Особистий внесок Чернюка В. В.: складені і розв’язані рівняння проекцій поверхонь статора, ротора та живих перерізів потоку рідини між ними.

9. Чернюк В. В. Способи пониження турбулентного тертя в трубопроводах / В. В. Чернюк // Вестн. Нац. техн. ун-та Украины “Киев. политехн. ин-т”. Машиностроение.– Киев: Нац. техн. ун-т Украины.– 1999.– Выпуск 35.– С. 20-25.

10. Чернюк В. В. Пониження турбулентного тертя в трубопроводах дією на потік / В. В. Чернюк // Вестн. нац. техн. ун-та Украины “Киев. политехн. ин-т”. Машиностроение. – Киев: Нац. техн. ун-т Украины.– 2000.– Выпуск 38, Т. 2.– С. 192-197.

11. Чернюк В. В. Регулювання тиску в гідравлічних і пневматичних системах / В. В. Чернюк // Вісн. Нац. ун-ту “Львівська політехніка”. Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. –Львів: НУ “Львівська політехніка”.– 2000.– № 404. – С. 14-18.

12. Чернюк В. В. Влияние добавок полиакриламида на потери напора во внезапных сужениях и расширениях труб / В. В. Чернюк, Б. С. Піцишин, В. И. Орел, В. М. Жук, // Инж.-физ. журн. (Ин-т тепло- и массообмена НАН Беларуси, Минск).– 2002.– Т. 75, № 4.– С. 115-122).

Особистий внесок Чернюка В. В.: побудовані усі графічні залежності, зроблено критичний аналіз, описано механізм дії ГДАД на втрати енергії у МГО.

13. Чернюк В. В. Змінювання гідравлічного опору раптових розширень труб додатками поліакриламіду / В. В. Чернюк, В. І. Орел, Р. М. Гнатів // Вісн. Укр. держ. ун-ту водн. госп. та природокорист. – Рівне: Укр. держ. ун-т водн. госп. та природокорист.– 2002.– Вип. 5(18).– С. 202-209.

Особистий внесок Чернюка В. В.: поставлена задача досліджень, створення експериментального стенду, побудовані графічні залежності .

14. Чернюк В. Пониження опору трубопроводів формуванням плинних систем з перепомповуваних середовищ / В. Чернюк // Вісн. Нац. ун-ту “Львівська політехніка”. Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. – Львів: НУ “Львівська політехніка”. – 2002.– № 460.– С. 188-197.

15. Чернюк В. В. Вплив додатків поліакриламіду на гідравлічний опір ребристих труб Aquadrop / В. В. Чернюк, В. М. Жук, В. М. Каращенко // Вісн. Укр. держ. ун-ту водн. госп. та природокорист. – Рівне: Укр. держ. ун-т водн. госп. та природокорист. – 2003.– Вип. 2(21).– С. 87-94.

Особистий внесок Чернюка В. В.: поставлена задача досліджень, створено експериментальний стенд, побудовані залежності , .

16. Чернюк В. В. Застосування гідродинамічно-активних додатків для керування напірними потоками рідин / В. В. Чернюк // Вісн. Сумськ. держ. ун-ту. Серія Технічні науки: Суми: СумДУ.– 2003.– № 12(58). – С. 31-36.

17. Чернюк В. В. Рівняння руху рідини змінної маси для циліндричних трубопроводів / В. В. Чернюк // Промислова гідравліка і пневматика (Вінницьк. держ. арарн. ун-т, Віниця). – 2003. – № 1. – С. 25-28.

18. Чернюк В. В. Візуалізація структури потоків у круглих трубопроводах. Кіно- та фотореєстрація / В. В. Чернюк // Промислова гідравліка і пневматика (Вінницьк. держ. аграрн. ун-т, Віниця). – 2004. – № 4(6). – С. 9-12.

19. Орел В. І. Вплив деструкції розчину поліакриламіду на гідравлічний опір раптового розширення труб / В. І. Орел, В. В. Чернюк // Прикладна гідромеханіка (Ін-т гідромеханіки НАН України, Київ).– 2005.– Т. 7 (79).– № 1.– С. 50-55.

Особистий внесок Чернюка В. В.: створення експериментального стенду, проведення дослідів, їх математична обробка.

20. Чернюк В. В. Перерозподіл витрат рідини між трубопроводами введенням у потік додатків / В. В. Чернюк // Гідравліка і гідротехніка. – Київ: Нац. транспортний ун-т. – 2005. – № 61. – С. 66-70.

21. Орел В. І. Вплив додатків полімерів на гідравлічний опір діафрагм / В. І. Орел, В. В. Чернюк // Вісник Нац. ун-ту “Львівська політехніка”. Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. – Львів: НУ “Львівська політехніка”. – 2006. – № 561. – С. 32-37.

Особистий внесок Чернюка В. В.: створення експериментального стенду, проведення дослідів.

22. Чернюк В. В. Візуалізація структури потоків у круглих трубопроводах: Частина 2. Лазерний допплерівський вимірювач швидкості / В. В. Чернюк // Промислова гідравліка і пневматика (Вінницьк. держ. аграрн. ун-т, м. Вінниця).– 2006. – № 1(11). – С. 28-33.

23. Чернюк В. В. Вплив додатків поліакриламіду на нерівномірність дискретної шляхової роздачі води з напірного трубопроводу / В. В Чернюк., В. І. Орел // Промислова гідравліка і пневматика. – 2006. – № 4 (14). – С. 37-40.

Особистий внесок Чернюка В. В.: постановка задачі, створення експериментального стенду, проведення дослідів, їх аналіз і висновки.

24. Чернюк В. В. Метод розв’язування рівняння руху рідини змінної маси для напірних трубопроводів-збирачів / В. В. Чернюк // Вісн. Нац. ун-ту “Львівська політехніка”. Теорія і практика будівництва. – Львів: НУ “Львівська політехніка”.– 2007.– № 600.– С. 323-330.

25. Чернюк В. В. Порівняння розв’язків диференційного рівняння руху рідини змінної маси для напірних розподільчих трубопроводів / В. В. Чернюк, В. І. Орел // Вісн. Нац. ун-ту “Львівська політехніка”. Теорія і практика будівництва. – Львів: НУ “Львівська політехніка”.– 2007.– № 602.– С. 190-200.

Особистий внесок Чернюка В. В.: запропоновано метод розв’язування диференціального рівняння напірного руху рідини зі шляховою її роздачею.

26. Чернюк В. В. Метод розрахунку напірних розподільчих трубопроводів / В. В. Чернюк // Прикладна гідромеханіка (Ін-т гідромеханіки НАН України, Київ).– 2008.– Т. 10 (82), № 3.– С. 65-76.

27. Чернюк В. В. Урахування зовнішнього гідродинамічного тиску у диференціальному рівнянні напірного руху рідини з приєднанням маси / В. В. Чернюк // Вісн. нац. ун-ту водн. госп та природокорист.: Зб. наук. праць. Вип. 3(47). – Рівне: Нац. ун-т водн. госп. та природокорист. 2009.– С. 565-572.

28. Чернюк В. В. Урахування зовнішнього гідродинамічного тиску у диференціальному рівнянні руху рідини змінної маси для напірних розподільчих трубопроводів / В. В. Чернюк // Вісн. Нац. ун-ту “Львівська політехніка”. Теорія і практика будівництва. – Львів: НУ “Львівська політехніка”.– 2010.– № 664.– С. 307-311.

29. Чернюк В. В. Визуализация структуры потока жидкости в местных сопротивлениях круглых трубопроводов и каналах переменного сечения / В. В. Чернюк // Оптические методы исследования потоков: тезисы докл. II межреспублик. конф., 1-3 июня 1993. Новосибирск: Ин-т теплофизики Сибирского отделения Российской Академии Наук.  1993. С. 91-92.

30. Чернюк Володимир. Водовипуск періодичної дії / Володимир Чернюк // Problemy budownictwa i inżynierii środowiska. Cz. II. Inżynieria Środowiska: praci IV naukowej konferencji Rzeszowsko-Lwowskej. 15-16 wresień 1995. – Rzeszów (Poland): Politechnika Rzeszowska, 1995.  S. 9-14.

31. Чернюк Володимир. Способи регулювання витрат середовищ у трубопровідних системах / Володимир Чернюк // Wyznania stawiane komunalnym systemom gospodarki wodnociekowej u progu XXI wieku: praci Polsko-ukraińskie symposzjum naukowo-techniczne. Poznań-Rzeszów-Lwów 1999.– Rzeszów (Poland): Politechnika Rzeszowska. – 1999.– S. 133-139.

32. Czerniuk Wolodymyr. Zniżenie tarcia burzliwego w przewodach zmianą parametrów ścianek / Wolodymyr Czerniuk //Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля. Львів-Кошице-Жешув: збірн. матеріалів VI Міжнародн. наук. конф. Част. ІІ. Інженерія довкілля. 12-15 вересня 2001. – Львів: НУ “Львівська політехніка”. – 2001.– С. 119-124.

33. Cherniuk Volodymyr. Decrease of hydraulic resistance of pipe lines by means of weakening of an intermolecular interaction in flows of liquids and gases / Wolodymyr Czerniuk, Volodymyr Zhuk // Zbornik prednášok: VII Vedecká konferencia s medzinárodnou účasťou. 13 sekcia: Košicko-L’vovsko-Rzeszowska. 22-24 mája 2002.– Košice (Slovakia): Technická univerzita v Košiciach. Stavebna fakultá. – 2002.– S. 85-88.

Особистий внесок Чернюка В. В.: розроблено класифікацію засобів регулювання витрат рідин змінюванням їх властивостей у трубах. 

34. Chernyuk V. V. A method of calculation for pressure collector-pipelines / V. V. Chernyuk // Budownictwo i Inżynieria Środowiska: Zeszyty Naukowy Politechniki Rzeszowskiej. – Rzeszów (Poland): Politechnika Rzeszowska, 2009. – Nr 266, z. 54.  S. 19-25.

35. Пат. 21829 Україна, МПК G 05D 7/00. Спосіб регулювання витрати рідини в трубопроводі та регулятор витрати / Чернюк В. В., Жук В. М. (Україна); Держ. ун-т “Львівська політехніка”.– № 96073053; заявл. 30.07.96; опубл. 30.04.98. Бюл. № 2.

Особистий внесок Чернюка В. В.: винайдено спосіб регулювання витрати рідини в трубопроводі та розроблено конструкцію регулятора витрати.

36. Пат. 47167 Україна, МПК G 05D 7/00, F 17D 1/00. Спосіб перерозподілу витрат плинного середовища / Чернюк В. В., Жук В. М., Орел В. І. (Україна); Нац. ун-т “Львівська політехніка”.– № 2001085746; заявл. 14.08.2001; опубл. 17.05.2004, Бюл. № 5.– 2 с.

Особистий внесок Чернюка В. В.: винайдено спосіб перерозподілу витрат рідини між декількома трубопроводами.

Анотація

Чернюк В. В. Регулювання інтегральних параметрів напірних потоків рідин гідродинамічно активними додатками. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук зі спеціальності 05.23.16 – гідравліка та інженерна гідрологія. – Київський національний університет будівництва й архітектури. – Київ, 2010.

Зроблено аналіз відомих засобів керування напірними потоками. Теоретично обґрунтовано можливість керування потоками рідин за допомогою гідродинамічно активних додатків (ГДАД) у таких випадках: стабілізація витрати рідини у трубопроводі; перерозподіл потоків рідин; зменшення нерівномірності шляхової роздачі (збирання) рідини уздовж напірних перфорованих трубопроводів. Диференціальні рівняння руху рідини змінної витрати доповнено компонентою зовнішнього гідродинамічного тиску. Запропоновано новий підхід до їх розв’язання. Розроблено методику візуалізації структури потоків рідин у круглих трубах за допомогою швидкісної кінозйомки і допплерівського локатора. Теоретичні положення підтверджено експериментально. Здатність ГДАД послаблювати турбулентне тертя у циліндричних трубах і збільшувати опір труб змінного перерізу покладена в основу винайдених здобувачем енергоощадних засобів діагностики напірних потоків і керування ними.

Ключові слова: гідравлічний опір, ефект Томса, напірні потоки змінної витрати, керування потоками рідин.

Аннотация

Чернюк В. В. Регулирование интегральных параметров напорных потоков жидкостей гидродинамически активными добавками. – Рукопись. Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук со специальности 05.23.16 – гидравлика и инженерная гидрология. – Киевский национальный университет строительства и архитектуры. – Киев, 2010.

Половина известных средств регулирования давления и расхода жидкости в трубопроводах приходится на управление свойствами текущих систем, направленное на уменьшение их вязкости и на снижение гидравлического сопротивления введением в поток гидродинамически активных добавок (ГДАД). Это свидетельствует об актуальности данного направления исследований. Цель работы – теоретически обосновать и разработать энергосберегающие средства управления напорными потоками жидкостей в трубопроводах с помощью ГДАД, включая движение жидкости переменного расхода, установить закономерности влияния ГДАД на интегральные параметры напорных потоков.

Теоретически обосновано возможность и условия управления напорными потоками жидкостей при помощи ГДАД в таких случаях: а) уменьшение неравномерности дискретной путевой раздачи жидкости из распределительных трубопроводов (РТ), что подтверждено экспериментами; б) то же, притока жидкости к трубопроводам-собирателям (ТС); в) стабилизация расхода жидкости в трубопроводе при изменяющемся рабочем напоре на входе; г) перераспределение расходов жидкости между несколькими трубопроводами, снабженными участками паралельно соединенных цилиндрических трубок, или трубок периодического сменного сечения.

Дифференциальные уравнения движения жидкости переменного расхода (ДУДЖПР) для напорных РТ и ТС дополнены компонентой внешнего гидродинамического давления. Переменные величины этих уравнений выражены через полный рабочий напор и независимое расстояние. Принят параболический закон изменения расхода жидкости. Полученные зависимости позволяют проектировать наклонные РТ и ТС, уложенные в потоке жидкости, при отделении или присоединении струй под любыми углами, а также при наличии транзитного расхода. Они учитывают геометрические параметры перфорированных трубопроводов, гидродинамические характеристики отделяющихся (присоединяющихся) струй, внутреннего и внешнего потоков жидкостей, их вязкости.

Разработана математическая модель подачи ГДАД в капсулах или гранулах на забой буровых скважин. В ней учитываются ускорение, скорость свободного падения капсулы в газовой среде межтрубного пространства скважины, пересечение границы раздела фаз газ-жидкость с последующим торможением и свободным падением в жидкости и зависанием в восходящем потоке продукта скважины, где ГДАД начинают действовать на поток добываемой жидкости.

Впервые разработана методика визуализации структуры потоков воды в круглых трубах с помощью скоростных кино- и фотосъемок и лазерного доплеровского измерителя скорости.

Действие ГДАД усиливается с уменьшением диаметров труб. В сужениях труб энергия потока тратится на растягивание макромолекул полимеров и на преодоление больших вихрей, возникающих на участке расширения потока после сужения трубы; в расширениях труб – на преодоление больших вихрей, интенсивно генерированных на участке расширения потока. Если в МГС доминируют потери напора на вязкое трение, то ГДАД их уменьшают; в случае преобладания потерь на сопротивление формы – увеличивают. Высшей концентрации  раствора ГДАД, не превышающей эффективного значения , соответствует большее изменение значения коэффициента МГС  как в случае его снижения, так и в случае повышения за счет действия добавок.

Уменьшение деформации потока в МГС и увеличение концентрации раствора ГДАД сопровождаются затягиванием ламинарного режима течения к большим значениям критерия Рейнольдса. При массовых концентрациях водных растворов полиакриламида (ПАА)  кг/кг зависимости  и  имеют скачкообразные турбулентные переходы: коэффициент Дарси  возрастает, а коэффициент МГС  уменьшается. В переходной зоне (2500...5600  15000...25000) коэффициент  является функцией от  и . При этом кривые сопротивления  для внезапного расширения трубы разделяются на две ветви. Верхняя ветвь соответствует центральному расположению транзитной струи в МГС, нижняя – отклоненному к стенке трубы. На участке контакта струи со стенкой снижается турбулентное трение добавками и сокращается площадь контакта с вихревым поясом и, как следствие, общие потери энергии в МГС уменьшаются. С ослаблением деформации потока в МГС начало участка независимости коэффициента  от критерия Рейнольдса смещается в сторону высших его значений.

Выявлена возможность регулирования тормозного момента гидротормоза изменением эксцентриситета ротора относительно статора в рабочей жидкости с ГДАД. Тормозной момент ротора зависит также от концентрации раствора ГДАД.

Длительное хранение геля ПАА (восемь лет) не уменьшило его гидродинамической активности.

Способность ГДАД снижать турбулентное трение в цилиндрических трубах и увеличивать сопротивление труб переменного сечения, положена в основу изобретённых соискателем таких энергосберегающих средств диагностики потоков и управления потоками: определение концентрации ГДАД в растворе; стабилизация расхода жидкости; перераспределение расходов жидкости между несколькими трубопроводами; регулирование тормозного момента гидротормоза. Результаты исследований внедрены с экономическим эффектом на предприятиях Украины и используются в учебном процессе НУ “Львовская политехника”.

Ключевые слова: гидравлическое сопротивление, эффект Томса, напорные потоки переменного расхода, управление потоками жидкостей.

ABSTRACT

Chernyuk V. V. Regulation of integral parameters of enforced fluid flows by means of hydrodynamic active additives. – Manuscript. Thesis for a scientific degree of doctor of technical sciences by speciality 05.23.16 – Hydrodynamics and engineering hydrology. – Kyiv National University of Civil Building and Architecture. – Kyiv, 2010.

The analysis of known means of control for enforced fluid flows is given. The possibility of controlling fluid flows by means of the hydrodynamic active additives (HDAA) is theoretically substantiated for the following cases: stabilization of fluid discharge from a pipeline; redistribution of fluid flows; reduction of non-uniformity of input and output discharge along perforated pressure pipelines.

A component taking into account the external hydrodynamic pressure is introduced into differential equations of variable flow rate fluid flow; a new approach to their solution is proposed. The new technique of the flow pattern visualization for fluid flows in cylindrical pipes by means of speed-velocity photography and Doppler locator is elaborated. The theoretical statements have been experimentally proved. The ability of HDAA to reduce turbulent friction in cylindrical pipes and to increase resistance of variable cross-section pipes is the basement of invented by the author energy saving means of diagnostics of enforced flow and in controlling them.

Key words: hydraulic resistance, Toms’ effect, enforced flows of variable flow rate, control of fluid flows.


EMBED CorelDraw.Graphic.8  

EMBED AutoCAD.Drawing.17  

а)

EMBED AutoCAD.Drawing.17  

б)

EMBED AutoCAD.Drawing.17  

EMBED AutoCAD.Drawing.17  

EMBED MSPhotoEd.3  

EMBED MSPhotoEd.3  

EMBED MSPhotoEd.3  

а)

б)

в)

EMBED MSPhotoEd.3  

г)

EMBED Рисунок AutoCAD 14  

а)

б)

EMBED Рисунок AutoCAD 14  

EMBED Рисунок AutoCAD 14  

EMBED MSPhotoEd.3  

EMBED MSPhotoEd.3  

а)

б)

в)

г)

Max РВ

max


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10931. Розмічання за шаблоном, площинне розмічання 44 KB
  Тема уроку: Розмічання за шаблоном площинне розмічання Мета уроку: 1 .Сформувати знання у учнів про розмічання плоских виробів з деревини; 2. Ознайомити учнів з призначенням і будовою розмічального інструменту; 3. Сформувати у учнів вміння і навички при виконанні п...
10932. Слюсарний верстак. Організація робочого місця у слюсарній майстерні. Правила безпечної праці 38.5 KB
  Тема: Слюсарний верстак. Організація робочого місця у слюсарній майстерні. Правила безпечної праці. Мета уроку: Засвоєння знань про організацію робочого місця правила безпечної праці та внутрішнього розпорядку у шкільній майстерні. Розвивати память спостережли
10933. КОНСТИТУЦИОНАЛЬНОЕ РАЗНООБРАЗИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА: ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ 501.5 KB
  Учение о конституции, или конституционология, является одной из наиболее запутанных проблем антропологии. Как мы уже неоднократно отмечали, это вызвано отчасти разным пониманием самого термина конституция и трансформацией его содержания в развитии данной области антропологии. В дословном переводе латинское слово constitutio означает состояние, сложение или свойство.
10934. Проектирование локального нормативного акта, регламентирующего делопроизводство в образовательном учреждение интернатного типа 85.28 KB
  Работа с документами неизбежно требует регламентации всего комплекса выполняемых процедур - от момента создания документа до их хранения. В настоящее время в области делопроизводства отсутствуют общегосударственные нормативные правовые акты, устанавливающие единые правила подготовки и обработки управленческой документации.
10935. Техніка. Поняття про механізми 75.5 KB
  Тема. Техніка. Поняття про механізми. Мета: сформувати поняття про механізми перетворення руху їх види призначення та застосування в техніці; розвивати вміння визначати та пояснювати призначення ведучої та веденої деталі сутності процесу передачі руху від однієї д
10936. Технологія обпилювання металевих заготовок напилками 29 KB
  Тема 5:Технологія обпилювання металевих заготовок напилками. Мета: Навчальна: сформувати знання вміння та навички обпилювання металевих заготовок напилками. Виховна: виховувати в учнів культуру праці та бережливе ставлення до інструментів. Розвиваюча: розвиват
10937. Технологія свердлильних робіт. Свердла, кути заточування свердел. 29 KB
  Тема 6: Технологія свердлильних робіт. Свердла кути заточування свердел. Мета: Навчальна: сформувати знання навички та вміння свердління виробів з тонколистового металу. Виховна: виховувати в учнів бережливе ставлення до інструментів та культуру...
10938. Закономірності і принципи формоутворення предметного середовища 63 KB
  Тема 7: Вступ. Закономірності і принципи формоутворення предметного середовища. Мета: Навчальна: сформувати знання про предмет дизайнrdquo; вміння та навички пов’язані з даним поняттям. Виховна: виховувати в учнів культуру праці та бережливе ставлення до інструмент...
10939. Основи художнього конструювання 28 KB
  Тема 8:Основи художнього конструювання. Мета: Навчальна: сформувати знання вміння та навички пов’язані з даними поняттями. Виховна: виховувати в учнів культуру праці та бережливе ставлення до чужої праці. Естетичне сприймання предметів. Розвиваюча: розвивати у ш