Например, Бобцов

Гидродинамические особенности течения газонаполненных напитков в кольцевом канале при розливе

УДК 621.047:621.926
Гидродинамические особенности течения газонаполненных напитков в кольцевом
канале при розливе
Лунев К.Н., Алексеев Г.В., gva2003@rambler.ru
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
Серьезные проблемы в совершенствовании производства газонаполненных напитков с точки зрения повышения ресурсосбережения создает стадия их розлива. С одной стороны, неконтролируемые скорость и газосодержание приводит к несанкционированному повышению давления и «выплескам» напитков. С другой стороны, заведомо заниженные скорости розлива уменьшают производительность процесса. Одним из путей преодоления существующих проблем является автоматическое отслеживание скачков избыточного давления за счет совершенствования разливочного устройства.
Ключевые слова: розлив газонаполненных напитков, избыточное давление квадратичная область гидравлического сопротивления.
В промышленной практике широко распространен случай изотермического движения несжимаемой жидкости в кольцевом зазоре между двумя концентрическими трубами. Такая задача возникает, например, при розливе шампанского, пива и других газонаполненных жидкостей.
Рис.1 Движение жидкости в кольцевом зазоре между двумя концентрическими трубами.
1

Рассмотрим модель разливочного устройства в виде двух концентрически

размещенных цилиндров.

На некотором расстоянии bR от оси цилиндров будет наблюдаться макси-

мальная скорость движения модельной среды. Движение ее восходящего пото-

ка в кольцевом пространстве может быть описано уравнением в цилиндриче-

ских координатах:

1 ⋅ dp = d 2 w + 1 ⋅ dw µ dx dr 2 r dr

или

1 r



d dr



 r 



dp dr

 

=

1 µ



dp dx

=

const

.

(1)

Распределение скоростей и сил внутреннего трения в кольцевом сечении

можно определить интегрированием уравнения (1):
( ) ( ) ( )(2πLτ )r − (2πrLτ )r+∆r + 2πr∆rρw2 z=0 − 2πr∆rρw2 z=L − 2πr∆rLρg + 2πr∆r p − pL = 0 . (2)

Для несжимаемой жидкости её скорость wz при z = 0 и при z = L одинакова, следовательно, третий и четвёртый члены уравнения можно исключить. Со-

кратив уравнение на 2πL∆r, при стремлении ∆r к нулю получим:

lim

∆r

→0

 

(rτ

)r

+∆r − ∆r

(rτ

)r

 

=

p0

− pL L

.

(3)

Левая часть уравнения (3) представляет собой первую производную, по-

этому представим ее в виде

d (rτ ) = p0 − pL r ,
dr L

(4)

где p0 = pL + ρgh , поскольку силы давления и тяжести действуют в противоположных направлениях.

Интегрируя уравнение (4), получим:

τ = p0 − pL r + C1 .
2L r

(5)

Расстояние от оси, на котором скорость потока будет максимальна, r = bR,

тогда при τ = 0 константа C1 = 12 (p0 − pL )× (bR)2 / L и уравнение (5) примет вид

τ

=

( p0

− pL 2L

)R

 

r R

−b

R  .
r

(6)

Поскольку τ = −µ dwz dr  , распределение скорости будет описываться урав-

нением

dwz dr

=



(

p0

− pL 2µL

)R

 

r R

− b2

R r

 

.

(7)

2

После интегрирования последнего соотношения имеем:

wz

=

− (p0

− pL )R2
4µL

 

r R

2 

− 2b2

ln

r R



+

C

2

 

.

(8)

Для определения константы интегрирования C2 учтём граничные условия:

wz = 0 при r=aR; wz = 0 при r = R.

(9)

После чего получим уравнения

( )0 = − (p0
0 = − (p0

− pL )R2
4µL
− pL )R2
4µL

a 2 − 2b2
(1+ C2 )

ln a + C2



 

,





(10)

откуда

b2

=

1− a2
2ln(1 a)

и

C2

= −1.

Окончательно профиль скоростей при ламинарном движении потока

в кольцевом зазоре определяется соотношением:

wz

=

( p0

− pL )R2
4µL

 1 



 

r 2 R

+

1− a2
ln(1 a

)

ln

r

 

R 

.

(11)

Профиль напряжений в этом случае описывается уравнением

τ

=

∆p 2L

 R

r

R



1− a2
2ln(1 a)

r

 

R

.

(12)

В предельном случае при a = 0 уравнение (11) превращается в известное уравнение описывающее течение ньютоновской жидкости в цилиндрической трубе. Средняя скорость жидкости в кольцевом зазоре может быть определена

следующим образом:

2π R

∫ ∫w ∫ ∫ср

=

wz rdrdθ
0 aR 2π R
rdrdθ

=

∆pR 2 8µL

1− a4

 1



a

2



1− a2
ln(1 a


)

.

0 aR

Откуда объёмный расход:

( ) ( ) ( )V = w f сек ср

= w πК 2 1− a2 ср

=

π∆pR 4

 

1−

a4

8µL 



1− a
ln(1

2
a

2
)

  

.

(13) (14)

Развивая использованный подход, рассмотрим режим турбулентного дви-

жения жидкости, реализуемый при перетекании модельной среды в ёмкость. С этой целью на первом этапе определим распределение скорости течения,

3

а затем число Рейнольдса соответствующее интересующей нас области тече-

ния.

Известно, что при Re < 105 для турбулентного режима движения коэффици-

ент сопротивления λ зависит от числа Рейнольдса и от эффективной высоты

выступов, а при Re > 105 λ зависит только от шероховатости и носит название

квадратичной области сопротивления.

Подставляя

в

формулу

Re

=

ρ

wd э

значение Re=105 , оценим величину ско-

µ

рости движения среды соответствующее этому числу

w=

Re µ ρd
э

=

1051.3 ⋅10−3 1.035 ⋅103 ⋅ 4 ⋅10

−3

= 31.3

(м/с).

В рассматриваемом случае скорость определим по формуле (13), рассчи-

тывая число Рейнольдса и оценивая соответствующий ему режим течения:

2π R

∫ ∫w ∫ ∫ср

=

wz rdrdθ
0 aR 2π R
rdrdθ

=

∆pR 2 8µL

1 1

− −

a4 a2



1− a2
ln(1 a

)

  

=

0 aR

=

(2.2 − 2)105
8 ⋅1.3 ⋅10−3

⋅ 0.022 ⋅ 0.14

 1



0.84

1 − 0.82



1 − 0.8

ln

1 0

/

2
8

  

= 146.64

(м/с)

Re = 4.7 ⋅105 , и, следовательно, рассматриваемому режиму движения соот-

ветствует область квадратичного гидравлического сопротивления.

H
а)

H
б)

Рис. 2. Графическое отображение зависимости для средней скорости движения жидкости в кольцевом зазоре.

4

Гидродинамические особенности рассматриваемого процесса проанализируем графически на (рис.2а). Одновременно построим соответствующий график линий уровня (рис.2б). Для построения зависимостей приняты исходные данные наблюдаемые в эксперименте:
µ = 1,3⋅10−3; p2 = 2,3; R = 0,2; L = 0,02 . По оси x откладывали “Р” — давление в баке розлива, по оси y — показания “а”, коэффициента соответствия внешнего и внутренних диаметров кольцевого канала, по оси z — “w”, скорость истечения жидкости. Аналогичные результаты можно получить интегрированием уравнений движения для установившегося течения несжимаемой жидкости в щели (канале) между двумя плоскими параллельными стенками. Рассмотрим канал, расположенный горизонтально, шириною 2у0, неограниченно простирающийся в направлении оси z (рис. 3а). Движение потока направлено по оси x причем рассматриваемый участок расположен достаточно далеко от входа и выхода канала.

а) б)
Рис. 3. Движение потока в вертикально направленном канале. а — течение в горизонтальном канале; б — течение потока в вертикально направленном канале.

Для одномерного потока wy и wz равны нулю и уравнение неразрывности можно записать следующим образом:

дwx дx = 0 .

Уравнение Навье-Стокса примет вид

др дх

=

ρgx

+

µ

  

д2 wx дy 2

+

д 2 wx дz 2

  

.

(15) (16)

Для канала расположенного горизонтально, массовая сила ρg x = 0 ; кроме

того, поскольку wx не зависит от z (канал неограниченно простирается в на-

правлении оси z), то д2wx дz 2 = 0 и уравнение (16) упростится:

дp дх

=

µ

д 2 wx дy 2

.

(17)

5

Ширина канала мала по сравнению с его протяженностью, поэтому

др/ду = 0 и др дz = 0 , откуда следует, что др дх = dp dx . Так как wx и д2w дy2

не зависят от x, то значение градиента скоростного давления dp/dx во всех точ-

ках канала будет постоянным. Следовательно, можно записать:

dp dx



д 2 wx дy 2

= const .

(18)

После интегрирования получим:

1 µ

dp dx

=

1 y

дwx дy

+ C1 .

(19)

Константа интегрирования С1 = 0, так как дw дy = 0 при у = 0. В результате

второго интегрирования запишем:

( )w = 1 dp 2µ dx

y2 − y02

+ C2 .

(20)

При y = y0 скорость w = 0 и константа интегрирования С2 = 0. Поскольку y2 < y02 уравнение (20) обычно представляют в виде

( )w

=

1 2µ

dp dx

y02 − y2

.

(21)

При у = 0 скорость w = w , отсюда макс

w

=

w макс



1 





y y0

 2

  

(22)

или

w

w макс

= 1− (y

y0 )2 .

(23)

Аналогично можно решить задачу для вертикально направленного канала

длиной L, шириной 2y0 и глубиной H (рис. 3б)

wz

=

dp dz

y02 2µ

 1 





x y0



2

  

(24)

или

wz

=

p0 − L

p

y02 2µ

 1 





x y0



2

  

.

(25)

Приведенные решения анализируемой задачи позволяют рассмотреть ее

относительно области, в которой коэффициент сопротивления зависит только

от эффективной высоты выступов на поверхности дозирующей емкости, обра-

щенной к жидкости.

6

В этом случае проследим зависимость объёмного расхода и газосодержа-

ния продукта от шероховатости труб «e», иначе от эффективной высоты высту-

пов на внутренней поверхности трубы.

Из формулы (14) эту зависимость можно выразить, представив ∆p через

уравнение Дарси-Вейсбаха:

∆p = λ l ρw2ср ,
d2

(26)

где λ — коэффициент сопротивления.

Подставив в уравнение (26) значение ∆p l = w 8µ R2 , согласно уравнению ср

( )w ср

=

V сек
πR 2

=−

dp dx 8µ

R2

=

w макс 2

имеем:

λ

=

2d ρw2 ср

8µw ср R2

=

32µ .
ρw R ср

(27)

Обозначив

R

=

d/2

и

w dρ ср

=

Re

,

получим

закон

сопротивления

при

лами-

нарном движении в круглой цилиндрической трубе с гладкой внутренней по-

верхностью:

λ = 64 / Re .

(28)

При турбулентном режиме (Re > Re ) движения жидкости в трубе следует кр

учитывать длину начального участка. По данным Никурадзе, L = (25 ÷ 40)d ; по нач

данным

Кирстена,

L нач

=

(50 ÷100)d

.

В ламинарном подслое скорость жидкости мала, пульсации скорости прак-

тически отсутствуют, но вследствие прилипания жидкости к обтекаемым стен-

кам имеют место очень большие поперечные градиенты скорости, которые вы-

зывают значительные напряжения силы трения. В турбулентном ядре уравне-

ния движения заменяют зависимости между осреднёнными величинами и ищут

их решения, используя параметры, описывающие мгновенное состояние дви-

жения потока.

Осреднение скорости обычно проводят по времени:

или по площади сечения потока

∫ϖ

=

1

τ 0 +τ1
wdτ

τ 0 τ1

(29)

∫w ср

=

1 S

wdS .

Таким образом, в случае турбулентного режима движения закон распреде-

ления скорости может быть получен только на основании анализа эксперимен-

7

тальных данных. Между ламинарным подслоем и турбулентным ядром нахо-

дится переходная зона, для которой одинаково важны и молекулярная вязкость

и турбулентность.

В ламинарном подслое распределение скоростей можно считать линей-

ным:

w w =r δ лл

(30)

где r — расстояние от оси трубы (в направлении, перпендикулярном стенке);

δ — толщина ламинарного подслоя (порядка 1 мм). л

В турбулентном ядре распределение осреднённых скоростей в пределах

изменения значений критерия Рейнольдса от 104 до 105 хорошо описывается

степенной зависимостью:

1
ϖ = 1 − r  n ,
ϖ  R макс

(31)

где n зависит от величины критерия Re и в рассматриваемых пределах может

быть принято равным 7 (по экспериментальным данным).

Таким образом, приближённо для турбулентного течения

ϖ ϖ = 4 5. макс

(32)

При решении задач, связанных с определением режима транспортирования

жидкостей или газов в трубопроводах, обычно пользуются зависимостью меж-

ду отношением w w и значением критерия Рейнольдса ср макс

w = 0.817ϖ . ср макс

Для определения коэффициента сопротивления λ при турбулентном ре-

жиме движения в пределах изменения значений критерия Re от 4 ⋅103 ÷105

для гидравлически гладких труб можно пользоваться формулой Блазиуса:

λ

=

0.316

/

Re

1 4

.

(33)

Более точная зависимость (для больших значений Re) между коэффициен-

том сопротивления λ и режимом движения может быть получена при исполь-

зовании логарифмического закона распределения скоростей. При выводе лога-

рифмического профиля Re → ∞ , поскольку пренебрегают молекулярной вязко-

стью µ по сравнению с вязкостью при турбулентном течениии µT . Для значений Re > 105 коэффициент сопротивления можно рассчитать

по формуле:

( )1 λ = 2 lg Re λ − 0.8 .

(34)

8

Исследованиями Никурадзе, Шиллера и других учёных установлено,

что коэффициент сопротивления λ в значительной степени зависит также

и от шероховатости труб:

λ = f (Re,e) ,

(35)

где е — эффективная высота выступов на внутренней поверхности трубы.

Обычно для характеристики шероховатости используют так называемую отно-

сительную шероховатость e/d или d/e (где d — диаметр трубы).

Если высота выступов e в трубе меньше толщины ламинарного подслоя δ ,

то шероховатость стенок не влияет на величину коэффициента сопротивления

λ при турбулентном режиме движения потока. При большой высоте выступов

(e>δ ) турбулентность потока увеличивается, и сопротивление возрастает.

Для равномерно зернистой шероховатости стенку трубы можно принимать

гидравлически гладкой в тех случаях, когда относительная шероховатость

меньше предельного значения

(e / d ) = 17.85 Re−0,875 . пр

При ламинарном режиме движения влияние шероховатости стенок трубы

на сопротивление очень незначительно и им обычно пренебрегают.

В переходной области от ламинарного к турбулентному режиму величина

относительной шероховатости почти не оказывает влияние на коэффициент со-

противления λ

Re = w dρ / µ . ср

Область, в которой коэффициент λ зависит только от относительной ше-

роховатости и не зависит от Re, носит название области квадратичной зависи-
мости сопротивления от скорости потока ( )∆p; w2ср .

Приведенные выше законы сопротивления справедливы как для труб

с круглым сечением, так и с некруглым, если в критерий Рейнольдса ввести

вместо диаметра трубы d эквивалентный или гидравлический диаметр d , равэ

ный учетверённому гидравлическому радиусу.

Так, например, для сечения межтрубного пространства дозирующей емко-

сти типа «труба в трубе» эквивалентный диаметр

( )d э

=

4π D 2 − d 2
4π (D + d )

=D−d .

Чтобы проследить зависимость объёмного расхода и газосодержания

от шероховатости поверхности внутренних стенок дозатора следует рассматри-

вать область развитой турбулентности или область квадратичной зависимости.

9

В области квадратичной зависимости, течение жидкости описывается

уравнением Прандтля-Никурадзе

λ

=

1 1.14 + 2 lg

d

 2

.

 k

(36)

Зависимость газосодержания от шероховатости внутренней поверхности

можно вычислить при помощи формулы (37)

ε Г′

=

p′′ε Г ″

p′′ε


Г

+

p′ε н″

,

(37)

где ε Г′ — объёмная доля газа в жидкости или газосодержание разлитого напит-

ка в ёмкость, ε Г ″ — объёмная доля газа в жидкости или газосодержание жидко-

сти в баке розлива, ε ″ — объёмная доля жидкой фазы в двух фазной смеси н

в баке розлива p′ — соответственно давление в баке и в бутылке при розливе.

Далее, если представить p′ = p′′ − ∆p , где ∆p — определяется с учётом ко-

эффициента сопротивления λ , то

∆p = λ l ρw2ср ,
d2
а λ в свою очередь определяется по формуле (36).

(38)

Приведенные рассуждения позволяют проследить зависимость газосодер-

жания, а, следовательно, и качества продукта, от внутренней шероховатости

стенок разливочного устройства.

Записанные соотношения устанавливают зависимость влияния шерохова-

тости внутренней поверхности цилиндрической части дозатора на объёмный

расход (точность дозирования).

Список литературы
1. Алексеев Г.В., Лунев К.Н. Возможности совершенствования процесса и аппарата для розлива газонаполненной жидкости. Электронный научный журнал. — Процессы и аппараты пищевых производств, 2009, №1, www.openmechanics.com/journals
2. Гидромеханические процессы химической технологии. Романков П.Г. 1982. Л., химия, 3 изд. 287 с.
3. Басниев К.С., Дмитриев Н.М., Розенберг Г.Д. Нефтегазовая гидромеханика. 2005 г., 544 с.
4. Хьюитт Д., Холл-Тейлор Н. Кольцевые двухфазные течения. Пер. с англ., М., Энергия, 1974.

10

Hydrodynamic features of flow in gas-filled drinks in an annular channel at bottling
Lunyov K.N., Alexeyev G.V.
Saint-Petersburg State University of Refrigeration and Food Engineering
From the standpoint of resource-saving, serious problems for improvement of manufacture of gas-filled drinks arise at the stage of bottling. On one hand, uncontrolled speed and gas content result in unapproved pressure rising and drinks “splashing”. On the other hand – deliberately understated speeds of bottling slow down process productivity. One way to overcome the existing problems is automatic monitoring overpressure jumps owing to perfection of filling devices.
Keywords: gas-filled drinks bottling, excess pressure, quadratic realm of hydraulic resistance.
11