Новое в гидравлике каналов с проницаемыми стенками: показатель относительной величины диссипации

Указаны факторы возникновения научного направления по изучению закономерностей движения жидкости в каналах с проницаемыми стенками, получившего название «гидравлика переменной массы». Приведены результаты применения положений динамики точки переменной массы для описания течения жидкости в подобного рода магистралях. Отмечена неоправданность обобщения второго закона Ньютона на случай движения точки переменной массы для задач гидродинамики. Охарактеризована функциональность одномерных и многомерных моделей течения в проницаемых каналах, основанных на классических уравнениях механики жидкостей и газов. Обосновано доминирование одномерных моделей в инженерной расчетной практике и показан (с привлечением визуализации течения) ряд противоречий в описании динамики потока. На основе нового кинематического образа (взамен общепринятого − «твердой струи», от которой отделяются или к которой присоединяются частицы жидкости) получено одномерное уравнение движения жидкости в проницаемом канале, в котором коэффициент сопротивления трения является показателем относительной величины диссипации энергии потока. Построена зависимость вошедшего в уравнение коэффициента Кориолиса от режима течения. Исследована структура коэффициента сопротивления трения проницаемого канала с привлечением векторной размерности длины. Показано, что диссипация энергии потока в проницаемом канале как при оттоке, так и при притоке жидкости выше, чем в каналах со сплошными стенками при одинаковых ее расходах. Полученные результаты востребованы при разработке аппаратов химической технологии, ядерных реакторов с микротвэлами, фильтров и теплообменных аппаратов, содержащих каналы с проницаемыми стенками. 

1. Маккавеев, В. М. Теория гидродинамических процессов с большим гашением энергии / В. М. Маккавеев // Труды II всесоюзного гидрологического съезда в Ленинграде, 20–27 апреля 1928 г. – Л.: Гос. гидрол. ин-т, 1930. – С. 49–60.

2. Ненько, Я. Т. О движении жидкости с переменной вдоль потока массой / Я. Т. Ненько // Тр. Харьков. гидрометеорол. ин-та. – Харьков, 1938. – С. 3–50.

3. Патрашев, А. Н. Движение жидкости в каналах с переменным расходом по пути / А. Н. Патрашев // Изв. НИИ гидротехники. − 1940. − Т. 28. − С. 5−30.

4. Петров, Г. А. Гидравлика переменной массы / Г. А. Петров. − Харьков: Харьков. ун-т, 1964. − 224 с.

5. Навоян, Х. А. Примеры гидравлических расчетов водопропускных сооружений / Х. А. Навоян. – Киев: Будiвельник, 1975. – 148 с.

6. Ньютон, И. Математические начала натуральной философии / И. Ньютон. − М.: Наука, 1989. − 688 с.

7. Орир, Дж. Физика: в 2 т. / Дж. Орир. − М.: Мир, 1981. – Т. 1. − 336 с.

8. Маркеев, А. П. Теоретическая механика / А. П. Маркеев. − М.: ЧеРо, 1999. − 572 с.

9. Голубев, Ю. Ф. Основы теоретической механики / Ю. Ф. Голубев. − М.: Изд-во МГУ, 2000. − 719 с.

10. Бэтчелор, Дж. Введение в динамику жидкости / Дж. Бэтчелор. − М.: Мир, 1973. − 758 с.

11. Лойцянский, Л. Г. Механика жидкости и газа / Л. Г. Лойцянский. – М.: Наука, 1978. – 736 с.

12. Мещерский, И. В. Работы по механике тел переменной массы / И. В. Мещерский. − М.: ГИТТЛ, 1952. − 280 с.

13. Кинни, Р. Б. Турбулентное течение, теплообмен и массобмен в трубе с поверхностным отсосом / Р. Б. Кинни, Е. М. Спэрроу // Теплопередача. – 1970. – Т. 92, № 2. – С. 121–131.

14. Коченов, И. С. О гидравлическом сопротивлении системы охлаждения ядерного реактора / И. С. Коченов, О. Ю. Новосельский // Атом. энергия. – 1967. – Т. 23, вып. 2. – С. 113–120.

15. Каган, А. М. Распределение газового потока в плоском аппарате с развернутым зернистым слоем / А. М. Каган, А. С. Пушнов, И. И. Гальперин // Хим. пром-сть. – 1980. – № 1. – С. 42–44.

16. Горелик, А. Г. Исследование гидродинамики радиальных реакторов для каталитического дожигания отходящих газов / А. Г. Горелик, Л. Н. Меламед, А. В. Анитин // Теор. основы хим. технологии. – 1980. – Т. 14, № 3. – С. 378–385.

17. Войтов, В. И. Реакторы с микротвэлами: гидродинамика проницаемых каналов насыпной сборки / В. И. Войтов, В. П. Колос // Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Сер. фiз.-тэхн. навук. − 2019. − Т. 64, № 2. − С. 182−196. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2019-64-1-182-196

18. Коченов, И. С. Гидравлическое сопротивление каналов с проницаемой стенкой / И. С. Коченов, О. Ю. Новосельский // Инженер.-физ. журнал. – 1969. – Т. 16, № 3. – С. 405–412.

19. Кузнецкий, Р. С. Распределение скорости и давления жидкости вдоль трубы с отверстиями / Р. С. Кузнецкий // Инженер.-физ. журн. − 1971. − Т. 20, № 1. − С. 129−133.

20. Смыслов, В. В. Анализ уравнения движения жидкости в трубопроводах с переменной раздачей вдоль пути / В. В. Смыслов, Н. О. Езерский // Гидравлика и гидротехника. − 1974. − № 18. − С. 132−139.

21. Грикевич, Э. А. Распределение скоростей движения жидкости и потерь напора в скважине / Э. А. Грикевич // Водоснабжение и канализация. − 1974. − Вып. 4. − С. 77−81.

22. Смыслов, В. В. Гидравлический расчет трубопроводов с переменной раздачей вдоль пути / В. В. Смыслов, Ю. М. Константинов // Гидравлика и гидротехника. − 1972. − № 14. − С. 24−31.

23. Анофриев, Г. И. Гидравлические характеристики однорядных коллекторных систем / Г. И. Анофриев, П. И. Быстров // Теплоэнергетика. − 1971. − № 9. − С. 32−35.

24. Рейзис, Э. А. Гидравлический расчет контактных радиальных аппаратов / Э. А. Рейзис // Теор. основы хим. технологии. – 1967. – Т. 1, № 3. – С. 380–382.

25. Дильман, В. В. Описание движения потока в каналах с проницаемыми стенками на основе уравнения энергии / В. В. Дильман, С. П. Сергеев, В. С. Генкин // Теор. основы хим. технологии. – 1971. – Т. 5, № 4. – С. 564–572.

26. Шимко, К. И. Уравнение движения жидкости в перфорированных трубопроводах постоянного поперечного сечения с учетом закона раздачи расходов вдоль пути / К. И. Шимко, А. Е. Елисеев // Вод. хоз-во Белоруссии. − 1975. − Вып. 5. − С. 138−144.

27. Егоров, А. И. Исследование закономерностей движения жидкости в трубчатых распределителях и сборниках водоочистных сооружений / А. И. Егоров // Труды ВНИИ ВОДГЕО. − 1970. − № 27. − С. 22−30.

28. Егоров, А. И. Распределение воды дырчатыми трубами с постоянным шагом отверстий / А. И. Егоров // Труды ВНИИ ВОДГЕО. − 1972. − № 36. − 142−159.

29. Быстров, П. И. Гидродинамика коллекторных теплообменных аппаратов / П. И. Быстров, В. С. Михайлов. – М.: Энергоиздат, 1982. – 224 с.

30. Меерович, И. Г. Гидродинамика коллекторных систем / И. Г. Меерович, Г. Ф. Мучник. – М.: Наука, 1986. – 144 с.

31. Идельчик, И. Е. Метод расчета раздачи потока вдоль контактных, фильтрующих и других подобных аппаратов цилиндрической формы / И. Е. Идельчик // Инженер.-физ. журн. – 1965. – Т. 8, № 5. – С. 635–638.

32. Хантли, Г. Е. Анализ размерностей / Г. Е. Хантли. − М.: Мир, 1970. − 175 с.

33. Трубецков, Д. И. Две лекции. Анализ размерностей или райская жизнь в физике / Д. И. Трубецков // Изв. вузов. Приклад. нелинейная динамика. − 2012. − Т. 20, № 1. − С. 16−32. https://doi.org/10.18500/0869-6632-201220-1-16-32

34. Siano, D. B. Orientational Analysis − a Supplement to Dimensional Analysis − I / D. B. Siano // J. Franklin Inst. − 1985. − Vol. 320, iss. 6. − P. 267−283. https://doi.org/10.1016/0016-0032(85)90031-6

35. Siano, D. B. Orientational Analysis, Tensor Analysis and Group Prorerties of the SI Supplementary Units − II / D. B. Siano // J. Franklin Inst. − 1985. − Vol. 320, iss 6. − P. 285−302. https://doi.org/10.1016/0016-0032(85)90032-8