Mechanika tekutin: Numerické modelování proudění směsi vody a jemného písku v potrubí

V rámci mezinárodní spolupráce v oblasti výzkumu proudění dvoufázových směsí s Technickou univerzitou v Miláně pracuje ústav na vývoji numerického modelu pro tlakové proudění pseudo-homogenní suspenze v potrubí a na jeho validaci pomocí laboratorních experimentů.

Hydraulická doprava sedimentů potrubím

V mnoha průmyslových aplikacích po celém světě je účelné přemísťovat sedimenty jako je písek na kratší i delší vzdálenosti hydraulicky potrubím. Příkladem hydraulické dopravy ve velkém měřítku jsou těžba ropných písků v Kanadě či úprava mořského pobřeží včetně tvorby umělých ostrovů v Dubaji, příkladem dopravy v malém měřítku jsou odtěžování nánosů z řek, odbahňování rybníků nebo čerpání kalů v rámci čistíren odpadních vod. Pro dopravu sedimentů ve směsi s proudící vodou v potrubí je třeba energie, zpravidla dodávané čerpadly. Potřebné množství energie je společně s potřebou zamezení zanesení potrubí sedimentem jedním z hlavních parametrů provozu dopravního systému. Zajištění spolehlivé a energeticky co nejméně náročné dopravy vyžaduje znalost chování proudění směsi a jeho kvantifikace výpočtem. Pokud by potrubím proudila jen voda, byl by výpočet jednoduchý. Přítomnost částic, včetně jejich množství a různých možných vlastností, však činí výpočet komplikovaným.

Modelování proudění směsi

Mechanismus vnitřního tření při proudění je podstatně komplikovanější u směsí než u vody. Mimo jiné je závislý na vnitřní struktuře proudící směsi, tj. na např. na rozdělení částic a jejich bodových rychlostí v příčném průřezu potrubí.

Předpovědní modely proudění směsí by měly brát v úvahu vzájemnou interakci mezi strukturou proudu s procesem disipace energie v potrubí. To vyžaduje komplexní modely založené na pevných teoretických základech. Numerické modely jsou nejsofistikovanějším nástrojem popisu proudění a v případě jednofázových proudění jsou i hojně využívány v praktických aplikacích. Numerické modely složitějších dvoufázových proudění jako je proudění směsi vody a písku jsou stále v počátečním stádiu vývoje.

Numerický model a jeho experimentální ověření

Při vývoji numerického modelu tlakového proudění pseudo-homogenní suspenze v potrubí je kladen důraz na ověření souladu modelem předpovídaných hodnot řídících veličin s experimentálně sledovanými hodnotami těchto veličin, a to jak pro veličiny prostorově zprůměrované tak bodové uvnitř proudu. Výzkum využívá kvalitní experimentální data ze speciálního laboratorního okruhu pro čerpání a trubní dopravu směsí v Ústavu pro hydrodynamiku AV ČR.  Článek v prestižním časopise Powder Technology z nakladatelství Elsevier popisuje straterie modelování a navrhuje kritéria, jimiž je třeba se řídit při úspěšném vývoji a použití numerického modelu. Zároveň demonstruje schopnosti takového modelu předpovídat rozptýlení pevných částic a energetickou ztrátu v potrubí s proudící směsí.

Zdroj: Messa, G., and Matoušek, V. (2020). Analysis and discussion of two fluid modelling of fully suspended slurry flow. Powder Technology, 360, 747-768.