О структурообразование и разрушение в текучих средах



Скачать 55.31 Kb.
Дата02.10.2019
Размер55.31 Kb.
О СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ В ТЕКУЧИХ СРЕДАХ
Ш.Э. Назаров – магистрант БухГУ, А.А. Мирзоев – с.н.с. ИМ и СС АН РУз.
В этом кратко обзорном статье обсуждается механические процессы структурообразование и разрушение текучих сред: суспензии, гели и др.
Всякая вещества могут находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях. Нескольких веществ или одного вещества в нескольких состояниях совокупности представляет собой многофазную среду. Например, к их числу относятся: суспензии, гели, коллоидные системы и др. Коллоидная система, есть рассеяние, дисперсии одной дисперсной фазы в другой дисперсионной среде. Двухфазная среда – это дисперсная (гетерогенная) система с высокоразвитой поверхностью раздела фаз. Они отличаются от однофазных тел тем, что отдельные частицы вещества одной фазы являются не молекулярными, а агрегатами, состоящими из множества молекул. При этом в большинстве случаев в двухфазных средах непрерывно происходит процесс коагуляции, т.е. слипания под действием межмолекулярных сил агрегатов в более крупные. Если частицы дисперсной фазы не связаны между собой и способны независимо перемещаться в дисперсионной среде под действием, каких либо сил, то такого типа системы называют бесструктурными или свободнодисперсными двухфазными средами.

Многофазных грубодисперсных сред можно разделить: на бесструктурные или свободнодисперсные смеси и на структурированные, связнодисперсные. Степень структурированности смеси определяется концентрацией, дисперсностью и активностью поверхности частиц дисперсной фазы. В многофазных средах с коагуляционной структурой в зависимости от концентрации, дисперсности и активности дисперсной фазы выделяется под структуры – структурированные жидкости и твердообразные структуры. Структурированные жидкости представляют собой смеси с малой концентрацией дисперсной фазы, но с явно выраженной тенденцией к слиянию, коагуляции. Другие умеренно и высококонцентрированные смеси с коагуляционной структурой относятся к твердообразным.

Рассматривая поведение некоторых материалов, например, красок и глинистых растворов, в технологии окрашивания поверхностей и бурении скважин выявлены проблемы, характерное для вязкопластических сред вообще, которые не разрешимы техническими средствами и требующие углубленно фундаментального исследования процессов структурообразования и разрушения дисперсных частиц в дисперсионной среде.

Естественно, ранее предполагалось, что краска, подобно ее главному компоненту (маслу), является жидкостью и что можно определять вязкость краски как вязкость ньютоновской жидкости. Требования к краскам состоят из того, чтобы нанесение ее на окрашиваемую поверхность осуществлялось без значительного усилия; кроме того, краска должна обладать некоторой текучестью, чтобы после окрашивания не оставалось следов кисти. Технологи по краскам пытались связать способность краски наноситься на окрашиваемую поверхность и стекать с нее с вязкостью красителя. Чем больше текучесть, тем легче краска наносится на покрываемую поверхность и тем легче исчезают следы от кисти; в связи с этим предполагалось, что реологические свойства красок могут быть достаточно полно описаны с помощью вязкости.

От краски, однако, требуется наличие некоторого третьего реологического свойства. Будучи нанесена на вертикальную поверхность, она не должна стекать. Это требование находится, в противоречии с двумя вышеупомянутыми свойствами - наноситься на поверхность и стекать.

С одной стороны, краска должна иметь низкую вязкость, чтобы удовлетворять первым двум технологическим требованиям, и с другой стороны, высокую вязкость, чтобы удовлетворять третьему требованию. Таким образом, при вискозиметрических измерениях краски с различными скоростями течения вязкость не должна быть постоянной или иметь дополнительные реологические параметры.

Еще одним наиболее часто используемым материалом в различных производственных технологиях являются концентрированные суспензии глины – глинистые растворы.

Во время прекращения циркуляции промывочная жидкость в состоянии покоя должна за короткое время приобрести структуру, чтобы удерживать находящиеся в ней частицы шлама во взвешенном состоянии, предупреждая возможность прихвата бурильной колонны труб с инструментом, осевшими частицы и их структурированием.

Чтобы одновременно удовлетворять отмеченным выше требованиям глинистые растворы должны обладать не только вязкостным, но и другими реологическими свойствами.Частичное решение этой проблемы нашли Бингам и Грин, рассматривая краски и глинистые растворы не как вязкую жидкость, а как пластический материал. Они ввели понятие о так называемой вязкопластической модели, именуемой в настоящее время телом Бингама.

Последнее представляет собой идеализированное пластическое твердое тело, сопротивляющееся пластической деформации не только за счет своего предела текучести, как в случае тел Сен-Венана и Прандтля, но также и за счет вязкости, называемой пластической вязкостью п.

Одним из направлений, в котором рассматривается структурированное движение жидкости с твердой фазой, является формирование и движение несвязных и связных селей.

Рассматривая оба типа селей с реологических позиций, отметим, что первый принципиально тождественен движению обычного наносонесущего (двухфазного) потока, исследуемого гидромеханикой и гидравликой жидкостей, в то время, как второй [1] представляет собой движение структурированной вязкопластической (или конгломератной) среды, физическая модель которой принципиально отлична от мало концентрированного водного потока.

Механизм, руслоформирующий и селеформирующий деятельность высококонцентрированного водного наносонесущего потока - несвязного селя, рассмотрен в [1], где предложено на основе аналитического учета физико-механических процессов, происходящих при движении такого потока, решение некоторых задач, связанных с транспортирующей способностью и русловой деятельностью селевых потоков. Где начальное положение зерен в момент приобретения движения в направлении потока считается отличным от их положения в состоянии полной неподвижности. Моменту приобретения зернистой массой движения предшествует явление дилатации зернистого слоя, состоящее в том, что приложенные сдвигающие усилия в статическом состоянии зерен вызывают некоторое расширение общего объема их массы для несвязанных грунтов в том случае, если поры заполнены водой. Это происходит от того, что хотя под действием сдвигающей силы грунтовой скелет должен был бы уплотняться, вытесняя воду и это вытеснение (отфильтрация) воды не может произойти мгновенно.

Давление в порах растет, частицы вынуждены терять взаимный контакт, и вместо грунтовой массы плотной упаковки она превращается в суспензию. Этим Л.Я. Айнола и др. объясняет тот факт, что однородные частицы теряют устойчивость при меньших нагрузках и скоростях потока, чем неоднородные.

В работах академика Д.Ф. Файзуллаева и его учеников экспериментально установлено проявление дилатации при движении ньютоновских жидкостей как в чистой без твердых включений воде, керосине и спирте, а также в растворах в частности глинистых растворах [2].

Из вышеприведенных данных следует, что при приложении усилий текучей среде, среда расширяется, чтобы реализовать действующее усилие в движение. Так как в текучей среде происходит передача количества движения и массы из одной области в другую, то для осуществления передачи необходим свободный объем соответствующей степени подвижности частиц, удовлетворяющей передачу действующего усилия и его равномерного распределения в системе, т.е. приход к новому устойчивому состоянию. С этой позиции даже песчаные грунты, солевые горные отложения под внешним динамическим воздействием (удар, вибрация, сдвиг, взрыв) приходят в состояние разжижения и приобретают свойства вязкой жидкости с гидростатической эпюрой давления. Существует порог разжижения или динамическое воздействие определенной интенсивности, по достижении которого наступает текучесть.



В соответствии с известными теоретическими положениями коллоидной химии и механики грунтов селевая масса грязевого связанного селя представляет собой водно-грунтовую систему, обладающую коагуляционной структурой.

Литература

  1. Николаевский В.Н. Вязкоупругость с внутренними осцилляторами как возможная модель сейсмоактивной среды. Докл. АН СССР, 1985, т. 283, № 6, с.1321-1324.

  2. Файзуллаев Д.Ф., Умаров А.И., Шакиров А.А. Гидродинамика одно- и двухфазных сред и ее практическое приложение. Ташкент: Фан, 1980. 168с.


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница