Исследование влияния гидродинамически-активных добавок на характеристики течений со свободными границами
Современное состояние вопроса
Открытие и последовательное осознание того факта, что введение в турбулентный поток жидкости соответствующим образом подобранных добавок приводит к существенному снижению турбулентного трения, относится к работам Б. Томса /8/ и К. Миселса /9/. Эксперименты эти были выполнены в 1945-1946 годах, однако систематическое исследование указанного явления начались лишь в 1954-1959 годах. Обусловлено это было обнаружением высокоэффективных водорастворимых добавок и, в связи с этим, появлением возможности практического использования эффекта снижения сопротивления трения. Интенсивное развитие этого вопроса отражается в многочисленных публикациях теоретического и прикладного плана. В частности, этой проблеме посвящено уже свыше 1000 публикаций. Подробное изложение их является предметом ряда обзорных работ /1÷7; 10÷14/.
Хотя в большинстве случаев в качестве снижающих трение полимерных добавок исследователи используют гуаровую смолу, полиоксиэтилен, полиакриламид и натриевую соль карбоксиметицеллюлозы, было обнаружено, что многие другие высокополимеры с соответствующим растворителем обладают способностью снижать турбулентное трение. Некоторые пары полимер - растворитель, дающие снижение сопротивления приведены в работе Хойта /12/, наиболее полно этот вопрос освящен в работах /2, 14/. Из анализа указанной литературы с полной уверенностью можно считать правильными выводы Хойта, что любые макромолекулярные вещества достаточно большого молекулярного веса (50000 и более) главным образом с линейной структурой молекул будут снижать сопротивление в любой жидкости, в которой они растворяются.
Однако широкому применению полимеров препятствует ряд обнаруженных при их изучении недостатков: механическая деструкция макромолекул при длительном пребывании в турбулентном потоке, невысокая эффективность в трубах большого диаметра, низкая скорость растворения.
Существенное воздействие на пристенную турбулентность оказывают и добавки другой природы: мицеллообразующие поверхностно - активные вещества (ПАВ). Своим названием ПАВ обязаны способности снижать поверхностное и межфазное натяжение из-за адсорбции и ориентации молекул у поверхности раздела. Снижение поверхностного натяжения, как правило, обусловлено дифильностью строения молекул ПАВ, обладающих полярной группой и неполярной углеводородным радикалом.
Впервые сообщение о способности ПАВ снижать гидродинамическое сопротивление (было обнаружено аномальное трение напалма при движении в огнеметной установке) приводится в работах /9/. Способ снижения сопротивления с использование малоподобных веществ был запатентован еще в 1949 году, однако изучение особенностей течения жидкостей с добавками этого класса стало производиться гораздо позже.
Сэвинс /15/ первым обнаружил важное свойство растворов ПАВ, обладающих сниженным сопротивлением - устойчивость к механической деструкции. В работе /15/ приведены результаты исследований, когда свойство снижать сопротивление в растворе ПАВ сохранялось после 88 часов перекачивания его насосом. Было также показано, что при больших сдвиговых напряжениях наблюдается исчезновение эффекта снижения сопротивления и его восстановление при уменьшении напряжений.
К первым публикациям по использованию мицеллообразующих поверхностно - активных веществ для уменьшения турбулентного трения жидкостей у нас в стране следует отнести ряд работ, выполненных под руководством И.Л. Повха и А.Б. Ступина. В имеющихся к настоящему времени сравнительно небольшом количестве работ, посвященных изучению особенностей снижения турбулентного сопротивления добавками ПАВ освещен очень узкий круг вопросов, связанных с интегральными характеристиками потоков и практически отсутствуют сведения об особенностях турбулентности в растворах ПАВ.
С целью расширения класса добавок, снижающих турбулентное трение, изучения особенностей их влияния на поток жидкости, ряд авторов использовали различные специфические добавки: асбестовые, древесные, натуральные и синтетические волокна, глинистые частицы, продукты жизнедеятельности морских организмов и водорослей и т.п. /3, 6, 14/. Однако исследования эти немногочисленны и их данные в ряде случаев противоречивы. Перспективы практического использования указанных добавок весьма проблематичны.
Остановимся на некоторых, наиболее общих особенностях воздействия на турбулентность добавок полимеров и поверхностно - активных веществ.