Способ исследования осаждения сферического облака твердых частиц в жидкости

Изобретение относится к области исследований закономерностей движения совокупности твердых частиц в жидкой среде при их гравитационном осаждении. При реализации способа исследования осаждения сферического облака твердых частиц указанные частицы предварительно вводят в сферический контейнер, выполненный в виде двух вложенных друг в друга перфорированных полусферических оболочек с возможностью вращения одной из них вокруг оси симметрии. Контейнер с направленной вниз подвижной оболочкой помещают в кювету с жидкостью и перемешивают частицы с жидкостью в контейнере путем воздействия ультразвуковых колебаний, генерируемых пьезоэлектрическими преобразователями в виде поляризованных по толщине полых пьезокерамических полусфер, закрепленных на внутренних стенках контейнера через звукопоглощающие прокладки. Поворотом подвижной оболочки на 180 градусов открывают контейнер с возможностью введения сферического облака частиц в кювету с жидкостью. Форму и скорость осаждения облака частиц определяют визуализацией процесса видеосъемкой через прозрачные стенки кюветы. Начальную концентрацию частиц в облаке и время открытия контейнера определяют по алгебраическим формулам, включающим физические характеристики частиц и жидкости. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения основных характеристик и динамики осаждения совокупности частиц. 2 ил.

 

Изобретение относится к области разработки способов и установок для лабораторных исследований физических процессов, в частности для исследования закономерностей движения совокупности твердых частиц в жидкой среде при их гравитационном осаждении.

Процесс движения совокупности частиц в поле силы тяжести 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].

Известно, что характер движения совокупности твердых частиц при гравитационном осаждении в жидкой или газообразной среде существенно зависит от их начальной концентрации и формы облака частиц [2]. Теоретический анализ задачи не позволяет однозначно определить динамику изменения формы, коэффициента сопротивления и, следовательно, скорости осаждения совокупности частиц [3]. Для получения достоверных зависимостей используются, как правило, результаты экспериментальных исследований.

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.

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.

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.

Известен способ, заключающийся во введении в кювету смоченных рабочей жидкостью частиц с помощью шприца, поршень которого перемещают с помощью шагового двигателя [5]. Попытки использования данного способа показали, что он не обеспечивает получение совокупности частиц с заданной начальной концентрацией и с нулевой начальной скоростью.

Наиболее близким по технической сущности является способ, согласно которому совокупность частиц вводится в жидкость при совмещении отверстия в цилиндрическом контейнере, наполненном частицами, и отверстия в заслонке, скользящей вдоль дна контейнера [6]. Указанный способ не позволяет получить сферическое облако равномерно распределенных частиц.

При комплексном экспериментально-теоретическом исследовании закономерностей осаждения облака из совокупности частиц принципиально важным является обеспечение строго контролируемых начальных параметров (начальная концентрация частиц, близкая к сферической начальная форма облака, нулевая начальная скорость).

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа исследования процесса гравитационного осаждения совокупности твердых частиц, обеспечивающего повышение точности определения основных характеристик и динамики осаждения совокупности частиц за счет создания исходного сферического облака с заданной равномерной концентрацией частиц и с нулевой начальной скоростью осаждения.

Технический результат изобретения достигается тем, что разработан способ исследования осаждения сферического облака твердых частиц в жидкости, включающий введение частиц в кювету с жидкостью, выполненную из прозрачного материала, и визуализацию процесса осаждения частиц. Частицы предварительно вводят в сферический контейнер, выполненный в виде двух вложенных друг в друга полусферических перфорированных оболочек с возможностью его открытия при вращении одной из оболочек вокруг оси симметрии, контейнер с направленной вниз подвижной оболочкой помещают в кювету с жидкостью, перемешивают частицы с жидкостью в контейнере путем воздействия ультразвуковых колебаний, генерируемых пьезоэлектрическими преобразователями в виде поляризованных по толщине полых пьезокерамических полусфер, закрепленных на внутренних стенках контейнера через звукопоглощающие прокладки, в течение не менее (2÷3) минут, открывают контейнер поворотом подвижной оболочки на 180 градусов с возможностью введения сферического облака частиц в кювету с жидкостью, при этом время открытия контейнера выбирают в соответствии с неравенством

а начальную концентрацию частиц в облаке определяют по формуле

где τ - время открытия контейнера, с; С0 - объемная концентрация частиц; ρ - плотность жидкости, кг/м3; μ - коэффициент динамической вязкости жидкости, Па⋅с; ρp - плотность материала частиц, кг/м3; R - радиус контейнера, м; D - диаметр частицы, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; М - суммарная масса совокупности частиц, кг.

Полученный положительный эффект изобретения связан со следующими факторами:

1. Начальная форма облака из совокупности частиц зависит от формы контейнера, в котором создается облако. Использование сферического контейнера обеспечивает получение начального облака сферической формы (Фиг. 1).

2. Для создания системы равномерно распределенных в жидкости частиц используют контейнер с перфорированными оболочками; через перфорации в оболочках жидкость поступает внутрь контейнера при его помещении в кювету с жидкостью.

3. Вращение одной полусферической оболочки контейнера вокруг оси симметрии обеспечивает открытие контейнера и введение облака частиц в жидкость с нулевой начальной скоростью.

4. Для формирования равномерно распределенных частиц в жидкости необходимо перемешать сформированную систему. Использование ультразвукового воздействия способствует быстрому перемешиванию жидкости и соприкасающихся с ней твердых частиц [7]. Под действием ультразвука размываются пограничные слои между жидкостью и твердыми частицами. Использование звукопоглощающих прокладок, расположенных на внутренних стенках контейнера, предотвращает воздействие ультразвука на жидкость в кювете.

5. Время открытия контейнера выбирают из условия минимальной деформации облака в период открытия. Расстояние, пройденное частицей за время τ, составляет

где u - скорость осаждения частицы.

Это условие сформулируем в виде неравенства

где Δl - смещение нижней границы облака за счет гравитационного осаждения частиц.

Условие (2) означает, что смещение границы облака Δl не превышает 1% от его радиуса R.

Стационарная скорость осаждения одиночной частицы в Стоксовском режиме равна [8]

Подставляя выражение (3) в (2), (3), получим условие для определения времени открытия контейнера

6. Суммарный объем частиц в контейнере определяют по формуле

Объем сферического контейнера равен

С учетом (4), (5) начальное значение объемной концентрации частиц в сферическом облаке определяется формулой

После простейших алгебраических преобразований формула (6) примет

вид

Пример реализации способа

Сущность заявляемого изобретения поясняется схемой, приведенной на Фиг. 1. В контейнер, состоящий из неподвижной 1 и подвижной 2 сферических оболочек, вводили навеску твердых сферических монодисперсных частиц 3. Подвижная оболочка 2 жестко связана с осью 4, которая может вращаться в подшипниках 5. Вращением оболочки 2 контейнер закрывали (Фиг. 1а) и помещали в кювету с жидкостью. Через перфорации 6 жидкость заполняла контейнер. Воздействием ультразвуковых колебаний в течение (2÷3) минут частицы перемешивали с жидкостью в контейнере до равномерного распределения. После перемешивания поворотом подвижной оболочки 2 на 180 градусов контейнер открывали (Фиг. 1б). При этом сферическое облако частиц начинало осаждаться в кювете 7, заполненной жидкостью (Фиг. 2).

Визуализацию процесса гравитационного осаждения совокупности частиц в жидкости проводили с использованием съемки через прозрачные стенки 9 кюветы 7 двумя скоростными цифровыми видеокамерами 8 типа Citius С100 в двух ракурсах с темпом съемки (50÷200) кадров в секунду. Обработка видеорядов проводилась с использованием компьютера, 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.

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. Для создания ультразвукового воздействия использовался генератор ультразвуковой УЗГМ-10-22МС. В экспериментах начальная объемная концентрация частиц варьировалась в диапазоне С0=2.3⋅10-5÷0.08 за счет изменения диаметра D и количества частиц N в диапазонах D=(0.2+l) мм, N=(30÷300). В экспериментах использовались стеклянные диаметром D=l.0 мм шарики. Режим осаждения совокупности частиц варьировался за счет изменения коэффициента динамической вязкости жидкости (водные растворы глицерина, глицерин) в диапазоне μ=(0.83÷1.34) Па⋅с и диаметра шариков. При этом диапазон изменения чисел Рейнольдса составлял Re=(10-3÷1.0).

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 равномерной концентрацией частиц и с нулевой начальной скоростью осаждения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. - Л.: Химия, 1982. - 288 с.

2. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. - М.: Мир, 1971. - 536 с.

3. Броунштейн Б.И., Фишбейн Г.А. Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных системах. - Л.: Химия, 1977. - 279 с.

4. Хоргуани В.Г. О характере и скорости падения системы частиц одинаковых размеров // Физика атмосферы и океана. - 1966. - Т. 2. - №4. - С. 394-401.

5. Metzger В., Nicolas М., Guazzelli Е. Falling clouds of particles in viscous fluids // Journal of Fluid Mechanics. - 2007. - Vol. 580. - pp. 283-301.

6. 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.

7. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Гл. ред. И.П. Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.

8. Архипов В.А., Усанина А.С. Движение частиц дисперсной фазы в несущей среде: Учебное пособие. - Томск: Издательский Дом Томского государственного университета, 2014. - 252 с.

Способ исследования осаждения сферического облака твердых частиц в жидкости, включающий введение частиц в кювету с жидкостью, выполненную из прозрачного материала, и визуализацию процесса осаждения частиц, отличающийся тем, что частицы предварительно вводят в сферический контейнер, выполненный в виде двух вложенных друг в друга полусферических перфорированных оболочек с возможностью его открытия при вращении одной из оболочек вокруг оси симметрии, контейнер с направленной вниз подвижной оболочкой помещают в кювету с жидкостью, перемешивают частицы с жидкостью в контейнере путем воздействия ультразвуковых колебаний, генерируемых пьезоэлектрическими преобразователями в виде поляризованных по толщине полых пьезокерамических полусфер, закрепленных на внутренних стенках контейнера через звукопоглощающие прокладки, в течение не менее (2÷3) минут, открывают контейнер поворотом подвижной оболочки на 180 градусов с возможностью введения сферического облака частиц в кювету с жидкостью, при этом время открытия контейнера выбирают в соответствии с неравенством

а начальную концентрацию частиц в облаке определяют по формуле

где τ - время открытия контейнера, с; С0 - объемная концентрация частиц; ρ - плотность жидкости, кг/м3; μ - коэффициент динамической вязкости жидкости, Па⋅с; ρр - плотность материала частиц, кг/м3; R - радиус контейнера, м; D - диаметр частицы, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; М - суммарная масса совокупности частиц, кг.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к устройствам и способам для визиометрического анализа качества руды в процессах обогащения полезных ископаемых.

Изобретение относится к области лабораторных исследований процессов смешения различных сыпучих материалов в химической промышленности, в промышленном производстве строительных материалов и в других отраслях промышленности.
Изобретение относится к технологии производства многокомпонентных гетерогенных смесей и может быть использовано в химической, фармацевтической, лакокрасочной и других отраслях промышленности при получении и анализе степени однородности как готовой многокомпонентной гетерогенной композиции, так и ее полуфабрикатов.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам разделения минерального сырья оптическим методом. Согласно способу получают цифровое RGB-изображение объекта и преобразуют его в пространство HLS.

Группа изобретений относится к системе для удержания образца текучего вещества при проведении измерения и способу подачи образца текучего вещества в оптический сканирующий аппарат.

Изобретение относится к области определения качества гомогенизации многокомпонентных гетерогенных смесей и может быть использовано в химической и других отраслях промышленности при получении и анализе степени однородности как готовой многокомпонентной гетерогенной композиции, так и ее полуфабрикатов.

Группа изобретений относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для предварительной оценки обогатимости руд твердых полезных ископаемых и определения параметров их селекции.

Изобретение относится к датчикам с переменной длиной пути для оптического анализа материала на месте. Предоставляется датчик, имеющий головку датчика, в которой образовано отверстие для приема образца, подлежащего анализу.

Изобретение относится к способам контроля параметров печатной бумаги. Способ определения прозрачности плоских светопропускающих запечатываемых материалов основан на регистрации относительных световых потоков, отраженных образцом бумаги, который сначала размещают на черной подложке, затем на плоском металлическом зеркале, и последующем расчете показателей прозрачности бумаги.

Изобретение относится к устройству и к способу для экономичного inline-измерения методом ближней инфракрасной спектроскопии, в частности, для экономичного inline-измерения методом ближней инфракрасной спектроскопии ингредиентов, качественных параметров или в целом свойств зерен злаков и проч., а также их составляющих в потоках продукта (3) в мукомольных производствах или на комбикормовых заводах.

Изобретение относится к способу обработки собранных корнеплодных культур. Способ включает в себя этапы, на которых оптически формируют гиперспектральные или многоспектральные изображения объемного потока собранной корнеплодной культуры для получения множества пикселей изображений, каждый из которых имеет спектральный профиль. Анализируют пиксели изображений для идентификации дискретных объектов в объемном потоке. Каждый идентифицируемый объект относят к категории либо приемлемые корнеплодные культуры, либо неприемлемые корнеплодные культуры, посредством того, что генерируют статистический профиль, связанный с объектом, на основании спектрального профиля пикселей, сгруппированных в пределах объекта. Объекты, отнесенные к категории неприемлемые, удаляют из объемного потока, чтобы обеспечить отсортированный поток собранной корнеплодной культуры. Технический результат заключается в обработке большого объема корнеплодной культуры с возможностью сортировки инородного материала от покрытой грязью корнеплодной культуры с минимальным повреждением самой культуры. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и касается способа оценки качества шунгитового сырья. Способ заключается в том, что формируют цветное изображение образца шунгитового сырья с получением трех двумерных массивов целых чисел в цветовом пространстве RGB, каждый из которых содержит информацию о пространственном распределении в изображении одного из трех цветов - красного, зеленого и синего. Затем осуществляют цветокоррекцию каждого из трех RGB массивов, преобразуют RGB массивы в цветовое пространство HLS и строят гистограмму L цветового пространства HLS. По параметрам полученной гистограммы L цветового пространства HLS определяют параметры качества шунгитового сырья. Технический результат заключается в ускорении процесса оценки. 4 ил.

Изобретение относится к люминесцентным методам определения структуры вещества и может быть использовано для количественного определения содержания неоднородно распределенной дополнительной кристаллической фазы в сильнорассеивающих дисперсных веществах с примесными ионами-люминогенами, таких как нанопорошки, спрессованные нанопорошки (компакты) и т.д., использующихся для производства различных лазерных сред, люминофоров, сцинтилляторов. Способ определения количественного содержания дополнительной кристаллической фазы в двухфазном веществе с примесными ионами-люминогенами, включающий в себя регистрацию спектров люминесценции, построение гиперболической градуировочной кривой, отражающей зависимость содержания дополнительной фазы в эталонных образцах с ее известным содержанием от люминесцентного аналитического параметра, и последующее использование этой кривой для определения неизвестного содержания дополнительной фазы в исследуемом образце подобного фазового состава, как и в эталонных образцах, подстановкой измеренного для него люминесцентного аналитического параметра в градуировочную кривую, при этом для определения фазового состава сильнорассеивающей дисперсной среды с неоднородно распределенными по объему фазами, для которой выполняется условие рассеяния Рэлея, используют люминесцентный аналитический параметр, рассчитанный по формуле где λ - длина волны люминесценции,I(λ)reg - регистрируемый спектр люминесценции,(D1-D2) и (L1-L2)- диапазоны спектра,причем диапазоны (D1-D2) и (L1-L2) выбираются таким образом, чтобы хотя бы один из них включал полосы люминесценции иона-люминогена, расположенного в позициях как одной, так и другой кристаллической фазы. Техническим результатом является учет рассеяния люминесценции на частицах сильнорассеивающих неоднородных сред и неоднородности распределения фаз по объему среды, что дает снижение существенной ошибки при определении содержания количества фазы. 2 ил.

Мультифазный поточный влагомер относится к области измерительной техники и может быть использован для определения количества воды, содержащейся во взаимно несмешивающихся с ней нефтепродуктах и свободном нефтяном или природном газах. Влагомер содержит корпус, измерительное устройство, средство обработки сигнала измерительного устройства и средства представления результатов измерений. Измерительное устройство выполнено в виде n-числа проточных ячеек, размещенных по периметру коммутирующего устройства, расположенного в центральной части корпуса. Проточные ячейки включают в себя излучающие и приемные матрицы, выполненные с возможностью излучения и приема электромагнитных волн инфракрасного спектра излучения, высокочастотного и ультразвукового излучения. Средство обработки сигналов измерительного устройства выполнено с возможностью приема, обработки, управления и передачи средствам представления результатов измерений всех видов сигналов, поступающих с приемных матриц. Технический результат, наблюдаемый при реализации заявленного устройства, заключается в создании мультифазного поточного влагомера, работающего в диапазоне обводненности от 0 до 100% и позволяющего определять объемное содержание компонентов в негомогенных смесях типа нефтепродукты-вода-газ. 3 ил.

Изобретение относится к области химического анализа. Оптический химический анализатор содержит: источник первой величины излучения, оптический модуль, сконфигурированный с возможностью направлять первую величину излучения так, что она падает на или проходит через цель в местоположении цели, и принимать вторую величину излучения комбинационного рассеяния от цели и направлять вторую величину излучения в модуль преобразования Фурье пространственной интерференции (SIFT). Модуль SIFT включает в себя первый и второй дисперсионный элемент и сконфигурирован так, что часть второй величины излучения принимается посредством первого дисперсионного элемента и интерферирует с частью второй величины излучения, принимаемой вторым дисперсионным элементом, чтобы формировать картину интерференции. Модуль SIFT дополнительно содержит детектор, сконфигурированный с возможностью захватывать изображение части картины интерференции и вырабатывать сигнал детектора на основе изображения; и процессор, принимающий сигнал детектора и выполняющий преобразование Фурье над сигналом детектора. Технический результат заключается в обеспечении возможности определения жидкостных загрязняющих веществ внутри газопровода. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к области исследований закономерностей движения совокупности твердых частиц в жидкой среде при их гравитационном осаждении. При реализации способа исследования осаждения сферического облака твердых частиц указанные частицы предварительно вводят в сферический контейнер, выполненный в виде двух вложенных друг в друга перфорированных полусферических оболочек с возможностью вращения одной из них вокруг оси симметрии. Контейнер с направленной вниз подвижной оболочкой помещают в кювету с жидкостью и перемешивают частицы с жидкостью в контейнере путем воздействия ультразвуковых колебаний, генерируемых пьезоэлектрическими преобразователями в виде поляризованных по толщине полых пьезокерамических полусфер, закрепленных на внутренних стенках контейнера через звукопоглощающие прокладки. Поворотом подвижной оболочки на 180 градусов открывают контейнер с возможностью введения сферического облака частиц в кювету с жидкостью. Форму и скорость осаждения облака частиц определяют визуализацией процесса видеосъемкой через прозрачные стенки кюветы. Начальную концентрацию частиц в облаке и время открытия контейнера определяют по алгебраическим формулам, включающим физические характеристики частиц и жидкости. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения основных характеристик и динамики осаждения совокупности частиц. 2 ил.

Наверх