Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ движения жидкости в пористо-капиллярных телах 13
1.1. Некоторые определения гидромеханики 13
1.2. Выбор образцового вещества для моделирования движения жидкости в пористокапиллярных телах 15
1.3. Течение в капилляре 21
1.4. Закупорка жидкостью капиллярных отверстий в элементах гидроавтоматики 23
1.5. Прилипание жидких частиц к поверхности твердых тел 25
1.6. Постановка задач диссертационного исследования 32
ГЛАВА 2. Исследование движения жидких сред в капиллярах 36
2.1. Движение жидкости в пористой среде и капилляре 36
2.2. Область неподвижного прилипающего слоя жидкости в ламинарном пограничном слое
2.3. Гидродинамическая сила отрыва на жидкой поверхности неподвижного прилипающего слоя 61
Выводы по главе 71
ГЛАВА 3. Управление неподвижным прилипающим слоем 75
3.1. Способы управления неподвижным прилипающим слоем в пограничной области течения 75
3.2. Управление неподвижным прилипающим слоем на поверхности проводника тока в технических системах 80
3.2.1. Неподвижный прилипающий слой в экологической гидрологии 86
3.3. Управление процессом проницаемости в фильтрах 89
3.4. Физическое моделирование в процессах фильтрации, пропитки в пористокапиллярных телах 94
3.5. Управление подъемной силой неподвижного прилипающего слоя .101
Выводы по главе 107
ГЛАВА 4 Капиллярные технологии 109
4.1 Технология пропитки в электротехнике 109
4.1.1. Особенность исполнения изоляции тяговых электродвигателей 111
4.1.2. Методы пропитки 114
4.2. Влияние ультразвука на кинетику пропитки , 117
4.2.1. Выбор режима ультразвуковой пропитки, оборудования 119
4.2.2. Ультразвуковая пропитка обмоток тяговых двигателей 121
4.3 Способ увеличения точности работы пневматических (гидравлических) мостовых вычислительных и управляющих устройств 129
4.4. Способ нанесения информационных знаков 135
4.5. Стабилизация капельного полива 138
Выводы по главе 140
Заключение 141
Список литературы 144
Приложение 154
- Выбор образцового вещества для моделирования движения жидкости в пористокапиллярных телах
- Область неподвижного прилипающего слоя жидкости в ламинарном пограничном слое
- Управление неподвижным прилипающим слоем на поверхности проводника тока в технических системах
- Способ увеличения точности работы пневматических (гидравлических) мостовых вычислительных и управляющих устройств
Введение к работе
Гидродинамика находит применение во многих отраслях техники и для большинства из них является теоретической базой. Значительна роль этой науки в разрешении некоторых важных гидродинамических задач встречающихся в прикладных дисциплинах, например, "Детали машин и механизмов", "Гидроавтоматика" и др.. По данному вопросу, ввиду его большой практической значимости, ведутся интенсивные исследования. К примеру, в авиационной технике существуют сведения о пропорциональной зависимости формпараметра от увеличения давления (напора) жидкости, характеризующего увеличение толщины пограничного слоя вблизи поверхности обтекания. Далее существующее представление о масляном клине смазки в трущихся деталях машин отнюдь не дает исчерпывающего описания всей сложности данного явления. Между тем имеющиеся сведения, отражающие поведение жидкой среды около поверхности твердых,тел в прикладных дисциплинах необходимо дополнить экспериментальными исследованиями, в результате чего можно было бы обобщить и рассмотреть их с единой точки зрения. Такой подход позволило бы раскрыть некоторые существенные стороны механизма взаимодействия молекул жидкости под действием энергии гидродинамического давления вблизи поверхности твердых тел.
В связи с изложенным задачей диссертации является - исследование характера движения жидкости в пористокапиллярных телах, широко применяемых в технологии водоснабжения, природоохранных устройствах, в технике железнодорожного транспорта, в ракетно-космической технике и автоматике.
Проектирование устройств водоснабжения базируется на теоретических представлениях о процессе очистки воды в фильтрах. Кинетика процесса очистки зависит от характера протекания адгезионных и аутогезионных явлений. В последнее время широкое применение получают мембраны в виде полого волокна, представляющие собой полимерные трубки диаметром 50-
200 мкм [16]. Как оказывается, при некоторых режимах течения воды подобные трубки могут быть закупорены. По этой причине, при проектировании, в практике эксплуатации таких установок должно учитываться это особое условие. Кроме того, с 80-х годов на железнодорожном транспорте находят применение релейно-контактные устройства с жидкометаллическими контактами. Однако, наряду с положительными свойствами указанных устройств, в них наблюдается значительное число отказов и в ряде случаев могут возникать опасные для движения поездов состояния [92]. Для использования в этих устройствах капилляров необходимо знать особенности течения жидкости в таких устройствах.
Одной из приоритетных задач развития железнодорожного транспорта является создание практически безремонтных локомотивов нового поколения, имеющих достаточные для этой цели ресурс надежности узлов и деталей. Действительно, стратегия железнодорожного транспорта России предусматривает развитие на первом этапе скоростного движения, на втором - высокоскоростного. Использование локомотивов со скоростью движения 300-350 км/ч приводит к необходимости развития комплекса передовых технологий и в частности технологии пропитки обмоток тяговых электродвигателей с учетом последних достижений в области теории жидкого состояния вещества. Мировой опыт показывает, что если на железных дорогах в полной мере используется последние достижения фундаментальных научных исследований, то это обеспечивает наибольшую отдачу - приводит к эффективному использованию финансовых ресурсов. Фундаментальные научные достижения в области жидкого состояния вещества в приложении к железнодорожному транспорту, в частности, в процессе пропитки якорей тяговых электродвигателей локомотивов способны коренным образом преображать его технологию. Следует отметить, что приведенные в диссертации результаты изучения свойства жидкости можно также отнести к области новых технологий.
Наиболее ненадежным узлом локомотива является тяговый электродвигатель. В частности, анализ статистических данных в работе [4] показывает, что повреждения тяговых электродвигателей происходили в основном из-за дефектов корпусной изоляции обмоток якорей. Из общего числа повреждений электрических машин в России 90% отказов связано с повреждением изоляции [59], В других климатических условиях, например, в Судане 80% повреждений наблюдается из-за пробоя изоляции [78]. На долю тяговых двигателей на французской железной дороге приходится около 10% всех регистрируемых повреждений подвижного состава [79]. Надежность электродвигателей определяется классом изоляции, качеством материалов, применяемых для изоляции обмоток, а также технологией пропитки. Сущность процесса пропитки заключается в удалении влаги из пор капилляров изоляционных материалов и заполнению их пропиточным составом. При этом в зависимости от назначения электродвигателя применяются различные методы пропитки. Для того, чтобы обеспечить высокую надежность изоляции якоря тягового электродвигателя локомотивов применяется многократная пропитка эпоксидным компаундом с использованием громоздких, сложных установок для вакуумирования и давления. Очевидно, что при этом затрачиваются немалые средства и ресурсы для увеличения нормы межремонтного пробега, для исключения случаев выхода из строя якоря тягового электродвигателя из-за потери диэлектрических свойств материалов, применяемых для изоляции пазовых проводников.
Практически отсутствуют детальные исследования по изучению характера движения пропиточной жидкости в изоляционных материалах, а также существующие трудности теоретической трактовки результатов опытов по изучению движения пропиточной жидкости через поры и капилляры не позволяют строго обосновать применение многих методов пропитки. При этом проектирование пропиточных установок производится на основе качественных и даже точнее - приблизительных представлений о механизме некоторых
явлений, сопутствующих процессу пропитки. В то же время известно, что при исследовании явления облитерации капилляров относительно чистыми жидкостями [9] наблюдается увеличение пристеночного неподвижного слоя жидкости [29.А8]. Наблюдаемое это увеличение препятствует прохождению жидкости через капилляры, что, в частности, ограничивает попадание необходимого количества пропиточной жидкости в изоляцию обмоток якоря тягового электродвигателя. Вместе с тем из работы [9] следует, что применение избыточного давления не препятствует возникновению явления облитерации капилляров. Применение избыточного давления для пропитки якорей тяговых электродвигателей, а также рекомендуемая технологией выдержка под давлением с точки зрения явления облитерации на наш взгляд недостаточно обоснована ни теоретически, ни экспериментально. Далее следует отметить, что из существующих и применяемых на практике методов только ультразвуковая пропитка, в частности, при использовании ее для пропитки тяговых электродвигателей [11.А10] позволяет многократную пропитку заменить одноразовой пропиткой при сохранении требуемого качества изделия. А применение двухразовой ультразвуковой пропитки дает почти двукратное улучшение качественных показателей [41]. Для изучения механизма возникновения явления облитерации капилляров, определение управляющих параметров режима течения жидкости, а также определения управляющих параметров ультразвуковых колебаний способствующих пропитке в качестве модели была использована вода. Этот выбор обусловлен тем, что Пуазейль изучал течение крови в артериях, однако, свое уравнение получил из экспериментов с водой, то есть как классическую модель ньютоновой жидкости поведение которой достаточно изучено. Кроме того, глубинная взаимосвязь явлений позволяет использовать возможность преодоления междисциплинарных барьеров, осуществлять перенос знаний из одной области в другую, увидеть перспективы широкого обобщения полученных результатов теоретических, экспериментальных работ, находить рациональные комбинации
физических параметров, связи между которыми дают результаты, относящие сразу к целому классу явлений.
В качестве примера можно привести реализацию программы создания устойчивых, надежных управляющих и информационных систем. Прототипом такой системы является живая клетка, мозг животного и человека. В указанных прототипах фундаментальным элементом является вода. Следовательно, при создании аналога мозга возникнут, вопросы, ответить на которые можно будет лишь зная о новых свойствах воды. Например, облитерация капилляра водой является следствием явления роста толщины граничного слоя воды, возникающей при течении воды в капиллярах. В совокупности обнаруженное явление увеличения толщины неподвижного пристеночного граничного слоя жидкости в капиллярах, допускаемые законами физики неравновесных процессов [90] и конкретная задача определения управляющих параметров в технических системах, в частности, в устройствах применяемых для пропитки якорей тяговых электродвигателей локомотивов оказываются связанными между собой явлениями.
Вместе с тем одной из важных задач технологии очистки природных, сточных вод с использованием полупроницаемых мембран, графитовых трубок, а также при фильтровании их через слой вспомогательных материалов, через песок [114] является увеличение производительности при возможно малой разности приложенных давлений и увеличение коэффициента проницаемости (в законе фильтрации Дарси) [101]. Совместное рассмотрение процесса фильтрования и пропитки было обусловлено необходимостью раскрытия особенностей и более полного описания физической картины сложного явления - увеличения толщины неподвижного граничного слоя жидкости в капиллярах, порах. Так, например, общность законов гидродинамических процессов в пористых и пористокапиллярных телах [55], лежащих в основе указанных технологий позволили определить взаимосвязь между опытом проведенным с целью очистки закупоренных графитовых трубок и
опытом по увеличению проходимости закупоренных жидкостью капилляров с помощью ультразвуковых колебаний. Кроме того, эти технологии объединяет общность гидродинамических задач, которые необходимо решить в перспективе.
Развитие авиационной и ракетно-космической техники характеризуется непрерывным увеличением энергонапряженности двигателей и энергетических установок летательных аппаратов, а также элементов их конструкций. Успешное решение возникающих при этом задач невозможно без применения пористокапиллярных материалов. Широкий диапазон физико-химических свойств пористокапиллярных тел дает возможность использовать их в экстремальных условиях ядерного реактора, плазматрона, МГД-генератора, криогенного электрооборудования и т.д. (рис. 1; 2 [95]). Кроме того с помощью пористокапиллярных элементов можно реализовать процессы фильтрования, дросселирования в устройствах вычислительной техники, гидропневмоавтоматики, в установках капельного полива.
Рис.1 Пористый трубчатый твэл ядерного реактора: 1-сетчатая оболочка; 2-пористый топливный материал; 3-проницаемая конструкционная оболочка; 1-теплоноситель
Рис.2. Фрагмент сечения пористой лопатки ракетной турбины: 1 -волокнистый металл; 2-керамическая герметичная оболочка; 1-теплоноситель В указанных технических системах при решении задач определения условий стабильности параметров истечения рабочей жидкости в пористокапиллярных матрицах различной структуры необходимо иметь информацию о механизме движения и о характере поведения жидкой среды вблизи поверхности твердых тел.
Целью диссертационной работы является определение параметров потока и определение методов воздействия на поток, при которых устраняются облитерационные явления в капиллярах. Автор выносит на защиту:
Сталагмометрическую методику определения толщины пристенного слоя жидкости;
Экспериментальные результаты исследования движения жидкости в капиллярах модернизированным прибором Дарси и воздействие ультразвука на процесс облитерации капилляров;
Новое аналитическое описание (модель) явления облитерации на основе модификации уравнения Гагена-Пуазейля, .;
Технологию пропитки с применением ультразвука.
Диссертация содержит 4 главы. В первой главе приведены некоторые определения и формулы из гидромеханики, необходимые для исследования движения жидкости в пористокапиллярных телах. Для простоты анализа в качестве модели выбрана вода. В связи с чем, дан краткий обзор существую-
щих моделей структуры воды. Детально рассматривается явление закупорки жидкостью капиллярных отверстий в гидроавтоматике и явление прилипания жидких частиц к поверхности тел в гидромеханике. На основе проведенного анализа поставлены задачи диссертационного исследования.
Во второй главе предложена методика определения микромасштабного процесса когезионного взаимодействия молекул жидкости вблизи твердых тел. Приведены результаты опытов. При этом эмпирическая формула, описывающая обнаруженное явление прилипания жидких частиц потока к жидкой поверхности неподвижного прилипающего слоя, дана в форме уравнений Навье-Стокса. Определена область неподвижного прилипающего слоя и на основе этого раскрыт физический смысл формпараметра. Также определен особый тип ламинарного течения и раскрыт физический смысл порогового числа Рейнольдса равный 2%.
В третьей главе разработаны основные методы управления неподвижным прилипающим слоем в мембранной технологии, а также в преобразователях информации (капилляры, пористые фильтры), применяемые в мостовых вычислительных и управляющих устройствах. Приведены результаты опытов по управлению неподвижным прилипающим слоем в полупроницаемых фильтрах с помощью ультразвука. Описывается явление скачкообразного увеличения расхода в фильтрах при действии ультразвука. Показаны основные детали физического моделирования процесса пропитки, фильтрации сточных вод.
Дано объяснение причины появления силы, предотвращающей выдавливание смазочного слоя и обеспечивающей жидкое трение между твердыми поверхностями.
В четвертой главе приведены особенности капиллярной технологии тяговых электродвигателей локомотивов. Выявлено преимущество ультразвуковой технологии пропитки по сравнению с другими методами пропитки. Предложен ультразвуковой способ пропитки обмоток якорей тяговых элек-
тродвигателей локомотивов [11.А10]. После лабораторных и эксплуатационных испытаний якорей тяговых электродвигателей локомотивов, пропитанных ультразвуковым способом, данный метод пропитки внедрен в производство (см. акт об использовании предложения а.с. № 1 197013 - приложение 2).
Разработан способ увеличения точности работы элементов автоматики методом стабилизации параметров потока. Разработан способ нанесения информационных знаков.
Для установок капельного полива разработано условие, при которых соблюдается режим стабильной работы капиллярных насадок.
Материалы выполненных исследований опубликованы в 14-ти печатных работах.
Выбор образцового вещества для моделирования движения жидкости в пористокапиллярных телах
Для инженерной практики бывает достаточно знания только средних характеристик движения жидкости (например, средняя скорость потока), по пути ее перемещения без детализации по поперечным сечениям и по времени. Сложность учета вязкости приводит к широкому использованию модели так называемой идеальной жидкости, т.е., сплошной несжимаемой среды, обладающей свойством текучести, но лишенной вязкости. Полученные для идеальной жидкости многие принципиальные решения дают качественно удовлетворительные результаты в реальных условиях. В ряде случаев можно получить количественные результаты, достаточно точно совпадающие с действительностью. При необходимости полученные таким способом решения окончательно корректируют на основе эксперимента. Модель несжимаемой невязкой однородной жидкости является исходной для целой группы частных моделей, учитывающих управляющие параметры движения в тех или иных случаях практики.
Введение моделей с различной степенью приближения к действительности может быть продиктовано не только сложностью изучаемого явления. Нередки случаи, когда решение задачи возможно на базе нескольких моделей. Не всегда самое точное и подробное решение следует считать предпочтительным (как в случае формпараметра Польгаузена) [44]. По-видимому, должен быть принят наиболее эффективный вариант, т.е., наименее трудоемкий, но обеспечивающий необходимый объем информации. Важным обстоятельством такого выбора является оценка области применения принятого решения при соблюдении перечисленных выше условий.
Коши О., Гельмгольцем Т. была сформулирована теорема, утверждающая, что скорость в каждой точке элементарного объема жидкости в данный момент времени складывается из скоростей поступательного движения вместе с полюсом, вращательного движения вокруг полюса и деформационного движения. Т.е. заключаем, что в скорости произвольной точки элементарного объема жидкости присутствуют, кроме, компонент скоростей движения еще и компоненты скорости от линейной и угловой деформации этого объема. Наличие и отсутствие вращения частиц жидкости является определяющим обстоятельством в делении всех видов ее движения на вихревое и безвихревое. Для безвихревового движения достаточно найти единственную функцию (p[x,y,Z ), называемую потенциалом скорости. Другими словами, потенциал скорости - функция, частная производная от которой по какому-либо направлению равна проекции скорости на это же направление. В связи с этим безвихревое движение часто называют потенциальным.
Для общего случая вихревого движения, когда частицы жидкости вращаются, необходимо определить три разные функции, описывающие соответствующие компоненты вектора скорости: Wx, W , Wz, так как в этом случае потенциал не существует.
Относительная простота математического аппарата привела к тому, что потенциальное движение жидкости часто используется в качестве удобной математической модели ее движения. Они учитывают лишь поступательное и деформационное движение жидких частиц, пренебрегая ее вращением. Уже было отмечено, что сложность описания (в общем случае) движения вынуждает рассматривать частные виды, выделяя в каждом случае управляющие параметры важные для практики. Такой подход дает возможность изучить каждый случай движения в наиболее простом виде, применять соответствующую модель, игнорируя часть влияющих на процесс факторов (например, процессы в области вязкого подслоя). При необходимости полученные решения корректируют, учитывая влияние факторов, исключенных из рассмотрения на первой стадии вывода основных зависимостей. Целью изучения движения жидкости в пористокапиллярных телах является определение скорости, ускорения и на их основе решить задачу управления параметрами потока, фильтрации.
Образцовое вещество. При установлении метрической системы мер заединицу массы, названную килограммом, впервые была принята масса одного кубического дециметра чистой воды при 4 С [2, 123]. Чистая вода с известными свойствами, воспроизводимыми при соблюдении условии приготовления, указанных в утвержденных спецификации ГОСТа использу ется при производстве количественных химических анализов и в создании реперных точек шкал т.е. как градуировочная жидкость. В работе [123] сказано, что мера - это средство измерений в виде образцового вещества предназначено для воспроизводства величин одного или нескольких размеров, значения которых известны с необходимой для измерения точностью.
Таким образом, вода стала эталоном многих физических свойств. Плотность и вязкость воды приняты за единицу. Температура затвердевания воды принята за ноль, а температура кипения - за 100 С.
В чистой воде водородный показатель рН должен быть равен 7.0. Однако в действительности вода реагирует с СОг, содержащимся в воздухе: СОг + НгО = Н2СО3. Наличие угольной кислоты Н2СО3 обуславливает слабокислую реакцию дистиллированной воды: рН = 6.5-6.0. Гораздо чище дважды дистиллированная (бидистиллят), еще чище трижды дистиллированная вода (тридистиллят). В 1894 г. Кольрауш Ф. получил воду, которая до настоящего времени является рекордно чистой: он проводил дистилляцию 42 раза подряд, причем держал воду в сосуде, с которым работал до этого в течение 10 лет и из которого, таким образом, перешло в воду максимум возможного. Степень чистоты определяют по электрической проводимости: вода, полученная Кольраушем имела проводимость в 100 раз меньше, чем обычная дистиллированная.
Область неподвижного прилипающего слоя жидкости в ламинарном пограничном слое
При использовании в системе гидроавтоматики дроссельных втулок диаметром 0.2-0.3 мм наблюдается нестабильность расхода жидкости через них, которая может привести к сбою работы элемента управления. При этом считалось, что расход жидкости через капиллярные щели, применяемые в гидросистеме самолетов, не подчиняется общим законам гидродинамики и значение коэффициента сопротивления капиллярной щели в зависимости от времени проявляется по разному у разных жидкостей - вне связи с их вязкостью. В этой связи процесс закупорки (облитерации) капиллярных отверстий исследовал в 1946 г. Вовк Г.П. [32], в 1951 г. Башта Т.М. [14], в 1957 г. Кичин И.Н. [52], в 1962 г. Погодаев Ф.Г. [94]. В работе [10] этот процесс объяснялся адсорбцией на стенках дросселирующего канала поляризованных молекул рабочей жидкости, причем, образующий слой обладает свойствами отличными от свойств жидкости (например, аномальная вязкость, изменяющаяся в зависимости от градиента давления). При этом указывается на возможность облитерации только щелей, ширина которых соизмерима с толщиной адсорбционного слоя, т.е., около 0.1 мкм. В работе [14] толщина адсорбционного слоя дается примерно равной 10 мкм, а в работе [32] этот слой оценивается около 20 мкм. Вовк Г.П. исследовал щелевые уплотнения шириной от 20 до 120 мкм. Причем, склонность к облитерации определялась по количеству полных заращений проходного сечения цилиндрической втулки диаметром 120 мкм, длиной 200 мкм при протоке через нее 10 л тщательно фильтруемой жидкости под давлением до 0.2 МПа. Он считал, что не только адсорбция молекул трансформаторного масла на стенках канала и концентрация их непосредственной близости от стенок является причиной закупорки, но также скопление в сечении более крупных частиц, состоящих из асфальтосмолистых и других образований могут способствовать облитерации проходного сечения. Он считал, что вода не облитерирует капилляры. В работе [14] указывается, что облитерация наблюдается при наличии протока жидкости через щели. Пребывание плунжера сколь угодно долго в покое при отсутствии перепада давления не приводит к заращению щели. Образованный слой при малых давлениях получается менее прочной, чем граничный слой образованный при действии больших давлений. Примечательно, что при высоких давлениях (скорости течения) при увеличении зазора капиллярной щели прочность сращивания поверхностей жидкостью увеличивается. В работе [14] показано, что капиллярные щели интенсивно заращиваются водой и трансформаторным маслом, и менее интенсивно глицерином и моторным маслом. При возмущении (разрушении) облитерации устраняется, но после чего неизменно повторяется процесс закупорки. (Этот вывод подтверждает результаты опытов 2 и 7, приведенные в параграфе 2.1). Фильтрация жидкости не меняла картины явления. Башта Т.М. считал, что полного заращения щелевых капилляров с размером зазора более 20 мкм невозможно, т.к. при некоторой толщине адсорбционного слоя дальнейший рост прекращается из-за увеличения расстояния от поверхности твердого тела. При таком увеличении поверхность адсорбционного покрытия становится рыхлой, вследствие чего она не может противодействовать смывающему действию жидкости, движущей между этими слоями, которая и увлекает верхние слои. В работе [52] установлено, что облитерация невозможна и расход остается стабильным при приложении к жидкости вибрации или пульсации потока. Амплитуда вибрации А = 0.0004 - 0.014 мм. В этой же работе указано, что склонность к облитерации увеличивается по мере уменьшения диаметра втулки и увеличения перепада давления. Полное прекращение расхода (полная облитерация) наблюдается у втулок любой длины с диаметром не превышающим 200 мкм. Время полного заращения сечения втулки не строго стабильно. Минимальное время заращивания трансформаторным маслом (ГОСТ -982 -53) втулок диаметром 200 мкм составляет 40 с при давлении 0.2 МПа; 70 с - 0.05 МПа; втулки диаметром 120 мкм - 10 с при 0.2 МПа; 20 с - 0.05 МПа. При сечении втулки 300 мкм отмечено частичное уменьшение расхода масла с течением времени, а при диаметре втулки 400 мкм не наблюдается процесс заращения. В этом обзоре видим противоречивые выводы о том, что вода не образует заращивания капилляров в работе [32], а у других авторов - заращи-вание капилляров водой наблюдается. В работе [32] считалось, что заращи-вание жидкостью может происходить и без протока жидкости, а в работе [94] указывается, что заращивание капилляров жидкостью наблюдается только при наличии протока этой жидкости. В работах [14, 52, 94] указывается зависимость скорости нарастания толщины граничного слоя от градиента давления, а также факт увеличения сдвиговой прочности образуемого граничного слоя при высоких давлениях.
В конце XIX столетия гидромеханика распалась на две ветви, почти не связанные между собой. С одной стороны, достигла большого совершенства теоретическая гидромеханика, исходившая из уравнений, составленных Эйлером для движения лшдкости без трения. Однако, результаты работ Эйлера во многом противоречили опыту. В силу этого, в инженерной практике получило развитие эмпирическое направление гидромеханики, так называемая гидравлика.
В 1904 г. Прандтль Л. показал, что течение жидкости в окрестности твердого тела можно разделить на две области; на область очень тонкого слоя вблизи поверхности тела (пограничный слой или слой трения), где трение играет существенную роль, и на область вне этого слоя, где трением можно пренебречь. Гипотеза пограничного слоя положила начало восстановлению утраченной связи между гидродинамикой и гидравликой. В сути этого предположения лежит фундаментальный фактор прилипания (адгезия) жидких частиц (молекул жидкости) к твердым телам (стенкам) и увеличение напряжений сдвига в жидком объеме по мере приближения к поверхности этой стенки.
Управление неподвижным прилипающим слоем на поверхности проводника тока в технических системах
В различных технических задачах решающую роль играет течение жидкости в пористокапиллярных материалах. Выявление особенностей течения жидкости в пористокапиллярных телах становится актуальным в связи применением таких технологических процессов как очистка природных вод, фильтрование сточных вод полупроницаемыми мембранами, пропитка пористокапиллярных обмоток электродвигателей, а также при использовании капиллярных втулок в устройствах гидроавтоматики. Так, например, в водоснабжении воду для очистки от механических примесей фильтруют через слой песка различной крупности. При этом жидкость движется через толщу песка по капиллярным поровым каналам, образующие из-за неполного прилегания частиц твердой породы друг другу. Для анализа гидродинамических процессов в капиллярных поровых каналах пористого материала эти каналы заменяют связкой капиллярных трубок равной длины, поперечное сечение этих трубок считается круглым. Течение жидкости в каждой трубке (капилляре) описывается законом Гагена-Пуазейля.
В настоящее время отсутствует строгая теория движения жидкости по капиллярам [39]. Между тем, экспериментальные данные у разных авторов расходятся на порядок. Было принято считать, что с уменьшением диаметра капилляра нарушается классический закон истечения жидкости и появляется облитерация капилляра - замедление скорости движения жидкости со временем до полного прекращения течения. Так, для трансформаторного масла, истекающего через латунный капилляр длиной 0.2 мм и диаметром 0.12 мм под давлением 0.1 МПа время полной облитерации составляет 80-90 с [52], что объясняется увеличением вязкости тонких пограничных слоев жидкости под действием поля молекул стенок капилляра [9]. В более поздних работах [39] отмечается, что увеличение вязкости обусловлено изменением структуры жидкости вблизи стенок капилляра, причем граничные слои достигают от нескольких молекулярных слоев для изотропных жидкостей до нескольких микрометров для жидких кристаллов. Для воды, хорошо смачивающей стенки капилляра, структура меняется на расстоянии нескольких сот ангстрем от стенки капилляра (то есть, менее 0.1 мкм). Действительно, при радиусах капилляра порядка размера граничного слоя жидкости возможно и прекращение течения жидкости. Таким образом, литературные данные качественно согласуются, то есть, экспериментально подтверждается наличие явления облитерации, но наблюдаются серьезные количественные расхождения, в первую очередь, с диаметром капилляров [9, 39, 52]. Кроме того, в работе [39] отмечено, что вода в тонких слоях, прилегающих к твердой поверхности (называемых граничным слоем) приобретает свойства отличающиеся от свойств объемной воды. Так, например, граничный слой обладает сдвиговой прочностью [9, 39]. У многих экспериментаторов толщина граничного слоя получается в пределах от 1 до 27 нм. В связи с чем возникает вопрос: не связана ли эта изменяющаяся на порядок (от 10 до 270 А) величина граничного слоя, а также большое значение изменения его толщины по сравнению с размером молекулы воды (3 А) несовершенством применяемых экспериментальных методик исследования или же граничный слой под действием разных факторов может иметь различную толщину? Не связана ли, наблюдаемая в технике облитерация капилляров относительно чистыми жидкостями [9,87], со свойствами граничного слоя? Если верна гипотеза о возможности изменения толщины граничного слоя воды под действием физических факторов, а может быть, и физико-химических процессов, то эффективное сечение капилляра будет различным и вследствие этого по закону Гагена-Пуазейля величина объемного расхода воды, измеренная при одном и том же значении перепада давления, также будет соответственно разным. Прежде всего, следует обратить внимание на разницу масштабов происходящих событий. Так, например, на макроскопическую величину объемного расхода жидкости заметное влияние будет иметь фактор уменьшения эффективного сечения капилляра только при прохождении относительно длительного времени из-за нарастания толщины граничного слоя на микроскопическую величину, имеющей порядок размера молекулы.
Итак, определим задачу по уточнению условия возникновения облитерации капилляра водой с целью - определить взаимосвязь этого явления со свойством граничного слоя воды. Для выявления факторов, которые могут повлиять на размеры граничного слоя, был применен метод сталагмометра [72]. Причем, предполагалось, что сталагмометр позволит получить такие условия течения, когда могут проявиться воздействие силы адгезии стенки капилляра, а также силы когезии молекулы, находящейся на жидкой поверхности потока с молекулой неподвижного граничного слоя жидкости. Для исключения вязко-гравитационного режима течения в сталагмометре был применен горизонтально расположенный капилляр. Для определения влияния на результаты опытов материала капилляра применены капилляры из пирексо-вого стекла, молибденового стекла, нержавеющей стали; формы поперечного сечения капилляра применены капилляры треугольного, круглого сечения; продольного размера капилляра длины брались от 1.4 до 5.2 см. Опыт проводился в обычных условиях при комнатной температуре с применением дистиллированной воды. Для уменьшения погрешности на результаты опытов от фактора испарения влажность воздуха поддерживали постоянной. Для сталагмометра брались стеклянные сосуды (химическая посуда) вместимостью 0.5-2 л, имеющие на боковой стенке на расстоянии 3 см от дна сосуда капилляр. Заметим, что при таком расположении капилляра от дна - пространство ниже уровня капилляра выполняло роль гравитационного уловителя примесей. Предварительно сосуд и капилляр подвергались очистке по методике описанной в работе [1].
Способ увеличения точности работы пневматических (гидравлических) мостовых вычислительных и управляющих устройств
При этом значение SnL увеличивается до 0,95, затем через 2 часа снова снижается до прежнего значения. В точке (в) капилляр подвергали тепловому излучению с энергетической светимостью примерно равному 5,7 Вт/м . При этом значение SnL увеличилось до значения 1,3, после чего через 3 часа опускается до значения 0,9. В точке (с) капилляр подвергали легким ударам - импульсы которых примерно равны 0,005 кг м /с. Несмотря на это механическое воздействие удара SnL продолжает снижаться до значения 0,44. Следует заметить, что здесь вызывает интерес тот факт - вопреки действию внешних возмущающих факторов (тепло, удары) стремление зависимости SnL(t) возвращаться строго на заданную линию. На рис. 2.3 также представлена зависимость SnL (/), полученная при течении тридистиллированной воды через капилляр из нержавеющей стали диаметром 238 мкм, длиной 2,5 см. В этом опыте в начале перепад давления изменяли от 515 до 665 Па, причём температуру воды поддерживали около 16 С (в отличии от других опытов, которые были проведены в обычных условиях при комнатной температуре). Затем в точке (д) было прервано измерение, где перепад давления изменяли от 405 до 525 Па, причём температуру воды увеличили до 30 С. Через 30 часов было возобновлено измерение SnL. Здесь возмущающее воздействие тряски при переноске сталагмометра, увеличение температуры на 14 С не изменили заданную в начале опыта относительно большую скорость нарастания толщины граничного слоя по сравнению с другими опытами. Очевидно, что этот эксперимент подтверждает результат предыдущего опыта, где показана способность граничного слоя воды противостоять возмущающему воздействию тепла. Обращает внимание разница угла наклона при использовании дистиллята и бидистиллята. Казалось бы дистиллят - менее очищенный от примесей, чем бидистиллят - должен быстрее облитерировать капилляр при одних и тех лее условиях эксперимента. Следует отметить, что в начальный момент времени (около 7 часов) формирование граничного слоя воды в опыте с капилляром из молибденового стекла при течении через него бидистиллята (см. рис. 2.3) был соблюден режим оберегания сталагмометра от воздействия вибрации, тряски и прочих механических возмущений. При сравнении опытов - с капилляром из молибденового стекла с использованием дистиллята, бидистиллята с опытом, где был применен капилляр из нержавеющей стали с использованием тридистиллята видим, что склонность к облитерации у не-рлсавеющей стали ярче выражена, чем у молибденового стекла.
На рис 2.4 представлена зависимость SnL(t), полученная при течении бидистиллированной воды через капилляр из пирексового стекла диаметром 124 мкм длиной 5.2 см. Перепад давления в этом опыте изменяли от 320 до 360 Па (соответственно расход от 1.5 до 2.1 мкл/с). Через 16 часов в точке перехода Ъ, перепад давления снижали до значения 245 Па (расход 0.8 мкл/с). После чего начался процесс увеличения неподвижного граничного слоя - облитерация. Через 59 часов снижали перепад давления до 210 Па (расход 0.3 мкл/с). Это повторное снижение перепада давления до порогового значения, когда запускается «механизм облитерации» - не меняет угол наклона кривой
SnL (/). Отметим, что этот опыт как бы уточняет или дополняет эксперимент выполненный с бидистиллированной водой при ее течении через капилляр из молибденового стекла (см. рис. 2.3) где в точке перехода не было измеренной точки, то есть, ход кривой SnL(t) долл ен проходить именно так как было показано на рис. 2.4 и это весьма важный факт для понимания механизма возникновения данного явления. На рис. 2.4 также представлена зави 47 симость SnL(t), полученная при течении бидистиллированной воды через капилляр их нержавеющей стали диаметром 238 мкм длиной 2.5 см. Учитывая результаты предыдущих опытов, перепад давления поддерживали от 180 до 200 Па (соответственно расход от 0.91 до 3.9 мкл/с). Так как на примере предыдущих опытов стало очевидным то, что необходимо в начальном этапе проведения опыта поддерживать некоторый пороговый расход необходимый для того, чтобы запустить механизм роста неподвижного граничного слоя воды в капилляре, которое было определено приблизительно равным 1 мкл/с.
Действительно, измеренное значение SnL(t) начинает понижаться с нулевой отметки оси t (см. рис. 2.4). Здесь наблюдается интересный факт уменьшения значения SnL(t) от 0.06 до 0.01, то есть, уменьшение эффективного сечения капилляра почти до нуля. Такое же уменьшение значения SnL до 0.04 наблюдаем для случая опыта с тридистиллятом. Этот факт показывает, что модифицированное выражение закона Гагена-Пуазейля (2.1) остается справедливым до весьма малых величин уменьшения эффективного сечения капилляра. К примеру, в работе [9] сказано, что исследователи Бастоу и Боуден сумели провести опыты с щелями, имеющий зазор 1 мкм, при этом не обнаружили отклонения от закона течения Гагена-Пуазейля. Кроме того, в работе [83] показано, что при течении воды в капилляре под действием очень малого градиента давления не нарушается ньютоновский характер движения воды.
Отметим, что при значении SnL «0.06 точность измерения времени образования капли составляла 0.5%.
В опыте 4 было решено проверить роль предыстории подготовки капилляра к опыту на процесс формирования первоначального граничного слоя воды, так как перед началом опыта капилляры промывались дистиллятом, бидистиллятом около 1.5 суток. В опыте 4 (рис. 2.5) применен капилляр из пирексового стекла диаметром 124 мкм длиной 5.2 см без предварительного промывания. В этом опыте перепад давления поддерживали в пределах от 400 до 500 Па расход от 2.6 до 4 мкл/с. Здесь наблюдаем превышение скорости течения над скоростью измеренных в начале опыта. Такое превышение скорости течения можно объяснить - в начале выделение теплоты смачивания, затем наступает латентный период ориентации молекул по Гарди [9], когда со временем снижается коэффициент жидкостного трения.
