html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Физики разобрались в «застревании» пузырьков в соединениях водопроводных труб


D. Oettinger et al. / Phys. Rev. Lett.

Физики из США и Швейцарии численно смоделировали, как взвешенные в воде пузырьки воздуха и полые стеклянные шарики проходят через T-образное и V-образное соединение труб, и выяснили, что частицы «застревают» и накапливаются в соединении, даже если они «проскочили» точку, в которой скорость жидкости обращается в ноль из-за «пробоя вихря». Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Самый простой пример разветвления в трубопроводной сети — это T-образное соединение, при котором одна из труб перпендикулярно входит в другую, прямую трубу. Если такая система симметрична, то поток жидкости, входящий через среднюю трубу, будет разделяться на два равных потока и расходиться в противоположные стороны по основной трубе. Немного видоизмененный пример T-образного соединения — V-образное соединение, в котором основная труба может быть искривлена. Такие соединения повсеместно встречаются в природе (кровеносная система различных живых организмов) и технике (водопровод). Кажется, что из-за простой геометрии T-образного и V-образного соединений протекающая через них жидкость будет вести себя предсказуемо — достаточно придерживаться небольшой скорости, при которой течение на прямых участках остается ламинарным, то есть безвихревым. Но в действительности все гораздо сложнее.

В 2014 году группа ученых под руководством Говарда Стоуна (Howard Stone) экспериментально исследовала, как T-образные и V-образные соединения пропускают жидкость с взвешенными частицами, плотность которых ниже плотности жидкости. Примером таких частиц могут служить пузырьки воздуха или пустые стеклянные шарики. Неожиданно оказалось, что частицы «застревают» в соединениях и собираются в большие облака, причем подобное поведение наблюдается в широком диапазоне чисел Рейнольдса (грубо говоря, скорости потока), плотности частиц и углов соединения труб. Дальнейшие эксперименты подтвердили этот эффект. Предположительно, такое поведение связано с тем, что в переходе образуется сложная система вихрей, в которой часть жидкости движется обратно к центральной трубе; в результате в трубе возникают области с нулевой скоростью жидкости, в которых застревают легкие частицы. Такой процесс называется «пробоем вихря» (vortex breakdown). К сожалению, ученые так и не смогли установить, насколько велики «связывающие» области и как сильно свойства частиц влияют на вероятность «застревания».

Пример частицы, застрявшей в T-образном соединении (отмечена стрелкой)

D. Oettinger et al., Phys. Rev. Lett.

Чтобы прояснить эти вопросы, группа под руководством Говарда Стоуна объединилась с математиками из Швейцарской высшей технической школы (ETH) в Цюрихе и дополнили численное моделирование методом LCS (Lagrangian Coherent Structures), который позволяет выделить устойчивые траектории частиц из всего рассматриваемого набора траекторий. Для простоты ученые считали частицы сферическими, пренебрегали их взаимодействием и рассматривали их движение на фоне несжимаемой жидкости, которая описывается уравнениями Навье-Стокса. Кроме того, исследователи перешли к безразмерным параметрам и разложили решения по малому параметру ε, пропорциональному числу Стокса, определяющему отношение кинетической энергии частиц и энергии их взаимодействия с жидкостью. Случай T-образного соединения с числом Рейнольдса Re = 320 и V-образного соединения с углом наклона φ = 70 градусов и числом Re = 230 физики рассмотрели по отдельности. Кроме того, ученые работали с двумя возможными типами частиц — полыми стеклянными сферами с плотностью около 0,15 от плотности воды и воздушными пузырьками с плотностью порядка 0,001 от плотности воды.

Моделирование показало, что в T-образном соединении возникает четыре симметричные стационарные точки, в которых скорость жидкости обращается в ноль. Точки окружены двумя широкими «областями притяжения», форма которых напоминает якорь; если частица попадает в такую область, она «выдергивается» из общего потока и рано или поздно сваливается в одну из стационарных точек. Интересно, что размер «областей притяжения» много больше, чем размер областей, в которых происходит «пробой вихря» (скорость жидкости обращается в ноль) — в отдельных случаях области занимали до 25 процентов поперечного сечения перехода. Кроме того, «области притяжения» становились тем больше, чем более объемные частицы протекали через соединение. Для V-образного соединения поведение частиц также можно описать с помощью «областей притяжения» и стационарных точек, однако в этом случае области сливались в одну при достижении определенного критического размера частиц.

Стационарные точки (отмечены синими крестами) и «область притяжения» (ограничена зеленой поверхностью) для случая T-образного соединения труб

D. Oettinger et al. / Phys. Rev. Lett.

Стационарные точки (отмечены синими крестами) и «область притяжения» (ограничена зеленой поверхностью) для случая V-образного соединения труб

D. Oettinger et al. / Phys. Rev. Lett.

Наконец, ученые определили параметры частиц, при которых они «застревают» в переходах — согласно расчетам физиков, это происходит для значений числа Стокса более 0,001 и плотности частиц менее 0,72–1,0 от плотности жидкости. Физики надеются, что их работа поможет разработать конструкции соединений, в которых не происходит накапливание частиц.

Область параметров частиц, в которой происходит захватывание (подкрашена зеленым). Случай T-образного соединения

D. Oettinger et al. / Phys. Rev. Lett.

Область параметров частиц, в которой происходит захватывание (подкрашена зеленым). Случай V-образного соединения

D. Oettinger et al. / Phys. Rev. Lett.

Ученые до сих пор не знают, можно ли точно решить уравнения Навье-Стокса, которые описывают движение вязкой жидкости (это одна из семи задач тысячелетия). Поэтому исследования в области гидродинамики отличаются от остальных областей физики — здесь часто приходится прибегать к численному моделированию или прямым экспериментам, чтобы лучше понять происходящие в жидкости процессы, и только потом искать подходящую теоретическую модель. Например, в январе этого года французские ученые экспериментально исследовали, как потоки воды размывают песчаное дно вокруг цилиндрической колонны, и открыли новый тип ямок. Оказалось, что форма и размер ямок связаны с числом Шилдса, но практически не зависят от параметров колонны. В октябре 2017 года британские гидродинамики изучили столкновение водной капли и маленького твердого шарика — физикам удалось не только связать характеристики всплеска с параметрами капли, но и построили количественную теорию процесса. 

Дмитрий Трунин

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с nplus1.ru

1

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • nplus1.ru
          • физика
          • ученые
          • исследования
          • эксперименты
          • домен nplus1.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции