Prędkość krytyczna przejścia ruchu laminarnego w turbulentny na przykładzie przepływu mieszaniny węglowo-wodnej w rurociągach

• Autorzy: Luo R. , Xia J. , Sobota J.

Warianty tytułu

EN

Critical velocity of transition from laminar to turbulent flow in the example of coal-water mixture in pipelines

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Transport hydrauliczny rurociągami należy do najbardziej niezawodnych i ekonomicznie uzasadnionych rodzajów transportu. Z uwagi na jego walory ekologiczne i estetyczne, jest także preferowanym rozwiązaniem w inżynierii środowiska. Przesyłanie rurociągami mieszanin zawierających znaczne ilości zawiesin wymaga określenia ich właściwości reologicznych, na podstawie których można przyjąć odpowiedni model reologiczny. Wyznaczony na podstawie badań model reologiczny pozwala z kolei na poprawne obliczenie strat hydraulicznych podczas przepływu danej mieszaniny w instalacji przemysłowej. Jednym z istotnych problemów występujących podczas przepływu mieszanin w rurociągach jest ustalenie momentu przejścia ruchu laminarnego w turbulentny, bowiem transport odbywający się w zakresie tego ruchu charakteryzuje się znacząco większym zapotrzebowaniem na energię. W pracy przedstawiono rezultaty badań przepływu mieszaniny węglowo-wodnej (pył węgla kamiennego z wodą) o stężeniu objętościowym 43÷53% i gęstości 1 176÷1 217 kg/m3 w rurociągach o średnicy 21÷47 mm. Badana mieszanina miała cechy reologiczne, które opisuje dwuparametrowy model Binghama. Rezultaty badań eksperymentalnych były następnie podstawą do analizy zachowania się mieszaniny w czasie przejścia z ruchu laminarnego do turbulentnego w rurociągach o średnicach 21 mm i 29 mm podczas przepływu mieszaniny węglowo-wodnej o stężeniu objętościowym wynoszącym 43%. W tym celu przeprowadzono analizę porównawcza kilku metod określenia prędkości krytycznej przejścia ruchu laminarnego w turbulentny, przy czym do określenia wartości prędkości krytycznej zaproponowano wykorzystanie różnych definicji liczby Reynolsdsa. Na tej podstawie obliczono wartości prędkości krytycznej ze wzorów różnych autorów oraz przy założeniu, że strefa przejściowa pomiędzy przepływem laminarnym i turbulentnym zawarta jest w przedziale wartości liczby Reynoldsa od 2000 do 4000.

EN

Pipeline hydrotransport belongs to the most reliable and economically justified modes of transport. Due to its ecological and aesthetic values, it is also the preferred solution in environmental engineering. Transport of mixtures with significant amounts of suspensions requires determination of their rheological properties to adopt an appropriate rheological model. The rheological model determined on the basis of research allows then for the correct calculation of hydraulic losses during the flow of a given mixture through industrial installation. One of the major challenges regarding the flow of mixtures through pipelines is determination of transition point at which laminar traffic changes into turbulent, because transport under turbulent flow is characterized by significantly higher energy demand. The flow study results for the coal-water mixture (bituminous coal dust) with volume concentration of 43–53% and 1 176–1 217 kg/m3 density in the pipelines of 21–47 mm diameter were presented. The rheological features of the mixture under testing were described by the Bingham two-parameter model. Results of the experiments were the basis for analyzing the behavior of the coal-water mixture with 43% volume concentration in 21 and 29 mm pipelines during transition from laminar to turbulent flow. For this purpose, a comparative analysis of several methods for determining critical velocity of the laminar-turbulent transition was carried out. In order to determine the critical velocity value, application of various definitions of Reynolds number was proposed. On this basis, the critical velocity value was calculated from the formulas by different authors and with the assumption that transition zone between laminar and turbulent flow was in the range of Reynolds number from Re = 2000 to Re = 4000.

Słowa kluczowe

PL

transport hydrauliczny; właściwości reologiczne; mieszanina węglowo-wodna; ruch laminarny; ruch turbulentny; prędkość krytyczna; model Binghama; strefa przejściowa

EN

hydraulic transport; rheological properties; coal-water mixture; laminar flow; turbulent flow; critical velocity; Bingham model; transition zone

• Wydawca: Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski
• Czasopismo: Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 40, nr 1
• Strony: 51--55
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Luo R.

• Minzu Uniwersity of China, Department of Environmental Sciences, Beijing 100081, China

autor

Xia J.

• Minzu Uniwersity of China, Department of Environmental Sciences, Beijing 100081, China

autor

Sobota J.

• Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Wydział Inżynierii Kształtowania Środowiska i Geodezji, Zakład Budownictwa Ogólnego, pl. Grunwaldzki 24, 50-363 Wrocław

Bibliografia

• 1. P. VLASAK, Z. CHARA: Laminar and turbulent transition of fine-grained slurries. Particulate Science and Technology 2004, Vol. 22, No. 2, pp. 189–200.
• 2. H. E. BABBITT, D. H. CALDWELL: Turbulent Flow of Sludges in Pipe. University of Illinois, Engineering Experiment Station Bulletin 1940, Series No. 323, Vol. XXXVIII, No. 13.
• 3. M. E. HOSSAIN, A. A. AL-MAJED: Fundamentals of Sustainable Drilling Engineering. Scrivener Publishing Wiley 2015.
• 4. M. RUDMAN, H. M. BLACKBURN, L. J. W. GRAHAM, L. PULLUM: Turbulent pipe flow of shear-thinning fluids. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics 2004, Vol. 118, pp. 33–48.
• 5. T. G. MYERS, S. L. MITCHELL, P. SLATTER: An asymptotic analysis of the laminar-turbulent transition of yield stress fluids in pipes. Journal of Physics: Conference Series 2017, Vol. 811, pp. 1–14.
• 6. P. E. DIMOTAKIS: The mixing transition in turbulent flows. Journal of Fluid Mechanics 2000, Vol. 409, pp. 69–98.
• 7. M. P. ESCUDIER, F. PRESTI: Pipe flow of a thixotropic liquid. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics 1996, Vol. 62, No. 2–3, pp. 291–306.
• 8. M. DZIUBIŃSKI, T. KILJAŃSKI, J. SĘK: Podstawy teoretyczne i metody pomiarowe reologii. Monografie Politechniki Łódzkiej, Łódź 2014.
• 9. E. J. WASP, J. P. KENNY, R. L. GANDHI: Solid-Liquid Flow Slurry Pipeline Transportation. Trans Tech Publ., New York 1977.
• 10. S. CZABAN: Parametry przepływu reostabilnych mieszanin dwufazowych. Archiwum Hydrotechniki 1990, t. XXXVII, nr 1–2, ss. 113–135.
• 11. Z. KEMBŁOWSKI: Reometria płynów nienewtonowskich. WNT, Warszawa 1973.
• 12. P. T. SLATTER: The role of the yield stress on the laminar/ turbulent transition. In: J. SOBOTA [Ed.]: Proceedings of 9th International Conference on Transport and Sedimentation of Solid Particles, University of Agriculture, Cracow (Poland) 1997, pp. 547–561.
• 13. G. W. GOVIER, K. AZIZ: The Flow of Complex Mixtures in Pipes. R.E. Krieger Publishing Co., New York 1977.
• 14. D. G. THOMAS: Non-Newtonian suspensions. Part 1. Physical properties and laminar characteristics. Industrial and Engineering Chemistry 1963, Vol. 55, No. 11, pp. 18–29.
• 15. A. D. THOMAS, K. C. WILSON: Rough-wall and turbulent transition analyses for Bingham plastics. The Journal of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy 2007, Vol. 107, pp. 359–354.
• 16. K. C. WILSON, A. D. THOMAS: Analytic model of laminar- turbulent transition for Bingham plastics. The Canadian Journal of Chemical Engineering 2006, Vol. 84, No. 5, pp. 520–526.
• 17. T. G. MYERS, S. L. MITCHELL, P. SLATTER: An asymptotic analysis of the laminar-turbulent transition of yield stress fluids in pipes. Journal of Physics: Conference Series 2007, Vol. 811, No. 1, pp. 1–14.
• 18. P. T. SLATTER: Transitional and turbulent flow of non-Newtonian slurries in pipes. PhD thesis, University of Cape Town, Department of Civil Engineering, Cape Town 1995.
• 19. P. T. SLATTER, E. J. WASP: The laminar/turbulent transition in large pipes. In: J. SOBOTA [Ed.]: Proceedings of 10th International Conference on Transport and Sedimentation of Solid Particles, University of Agriculture, Wroclaw (Poland) 2000, pp. 389–399.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).