Движение твердой частицы в произвольно расположенной трубе

Рассмотренная упрощенная схема движения изолированной твердой частицы в вертикальном трубопроводе при восходящем выровненном потоке в действительности выглядит значительно более сложно.

Ясное выявление механизма движения твердых частиц в трубопроводах любого положения (вертикальных, наклонных, горизонтальных) имеет важное теоретическое и практическое значение.

Характер этого движения определяет выбор скорости транспортирования, расчет потерь давления, износ оборудования и другие параметры, определяющие строительные и эксплуатационные качества пылесосной установки. Движение твердых частиц происходит за счет энергии воздушного потока, получаемой от воздуховсасывающего агрегата. Это воздействие в виде аэродинамической силы зависит от относительной скорости и характера потока, а также от размеров и формы твердых частиц.

Наиболее простой и убедительной представляется гипотеза плоского параболического скачкообразного движения изолированной твердой частицы в горизонтальном трубопроводе (рис. 2). Под действием направленной по оси движения потока аэродинамической силы и направленной вниз силы тяжести твердая частица движется по параболе, выпадает из потока и катится по дну трубопровода.

1. 2. 3.

Рис. 2. Движение твердой частицы по трубопроводу

1 – линейное; 2 – скачкообразное; 3 – винтовое.

Шаг такого скачка в зависимости от соотношения действующих сил может быть весьма большим, и на коротком участке траектория может показаться линейной. При возрастании скорости качения, а также ввиду значительного градиента скорости у стенки трубопровода может возникнуть подъемная сила, в результате чего частица взлетит и снова совершит параболический полет. Причиной подъема также может быть упругий удар твердой частицы о стенку трубопровода.

На твердую частицу, двигающуюся в трубопроводе, в общем случае могут действовать три силы: совпадающая с осевым направлением движением потока аэродинамическая сила Т, направленная вниз сила тяжести G и направленная к стенкам трубопровода центробежная сила С.

Центробежная сила может возникнуть при вращательном движении потока, увлекающего за собой и твердые частицы.

Винтовое движение потока является более сложным случаем, и возможность его существования доказана теоретически. В трубопроводах всегда имеется источник скоса потока, порождающего устойчивое движение потока (закручивание). Известно, например, что в изгибе потока возникает парный вращающий вихрь. Эксперименты показали, что за такими распространенными местными сопротивлениями, как дроссель, тройник, поток начинает устойчиво винтообразно вращаться.

В том случае, когда центробежная сила больше силы тяжести и достаточна для прижатия твердой частицы к стенкам трубопровода, траектория движения частицы представляет собой пространственную винтообразную линию, т. е. движение ее вращательное. Такое движение, например, специально осуществляется в центробежных пылесосах циклонного типа.

При низкой величине центробежной силы движение будет иным. Преобладание силы тяжести будет характеризоваться протаскиванием твердых частиц по дну трубопровода, а преобладание аэродинамической силы – практически линейным движением (по пологой параболе) твердых частиц по всему сечению трубопровода.

При винтовом движении по сравнению с плоским можно меньше опасаться выпадения твердых частиц и засорения трубопровода, а, следовательно, можно принимать меньшие скорости транспортирования. При этом, однако, будут относительно большие потери давления в трубопроводе и большая величина износа.