S dopravou sypkých materiálů v podobě dvoufázové suspenze (kapalina-pevná fáze) se můžeme setkat v řadě průmyslových odvětví - v chemickém, potravinářském, důlním, energetickém a v řadě dalších. Vedle proudění v uzavřených trubních systémech, které bývají většinou pro běžného občana skryty v průmyslových aglomeracích, je dvoufázové proudění součástí říčních systémů (bystřiny, řeky, jezera, přehrady) a v neposlední řadě toto proudění hraje velmi významnou roli při živelných katastrofách, jako jsou povodně z přívalových dešťových srážek či bleskové povodně.
Z hlediska velikosti dopravovaného materiálu můžeme dvoufázové proudění rozdělit na dva základní typy - homogenní suspenze při velikosti zrna do 40 mm a heterogenní suspenze pro zrna větší než 40 μm. Homogenní suspenze většinou vykazují ne-Newtonské chování, které je charakterizováno proměnnou viskozitou. Proudění heterogenní suspenze pohybující se v horizontální rovině můžeme dále rozdělit na proudění s pevnou fází rozptýlenou v celém profilu, na proudění, kdy dochází k saltačnímu pohybu jednotlivých částic, na proudění s pohyblivým dnem a na proudění s nepohyblivým dnem, kdy nade dnem proudí v podstatě jenom čistá kapalina.
Na rozdíl od proudění čisté kapaliny, kdy prakticky v celém rozsahu rychlostí se jedná o turbulentní proudění, je homogenní suspenze charakterizována jak turbulentním, tak i laminárním režimem proudění. V závislosti na objemové koncentraci je rychlost, kdy dochází k přechodu z laminárního do turbulentního režimu, v řádu i několika metrů za sekundu. V laminárním režimu proudění může být homogenní suspenze popsána pomocí vhodného reologického modelu, např. model Herschel-Bulkley. Příkladem homogenních suspenzí mohou být například kaolínové suspenze či suspenze úletového popílku.
U heterogenních suspenzí je jedním ze základních parametrů kritická rychlost. I když existuje řada různých způsobů, jak definovat kritickou rychlost, obecně lze říci, že při kritické rychlosti dochází k počátku usazování pevné fáze. Při poklesu rychlosti proudění pod tuto mez dochází k postupné tvorbě dnových útvarů, které snižují průtočný profil, což může vyústit až do celkového uzavření potrubního profilu. Proto je pro optimální provoz nutné udržovat průtočné rychlosti nad touto kritickou rychlostí.
Další významnou roli při proudění heterogenních suspenzí hraje také rozdělení velikosti částic. Při proudění v horizontálním potrubí (při rychlostech blízkých kritické rychlosti) dochází ke vzájemným interakcím mezi částicemi a spodním dnem potrubí. Tyto interakce představují výrazné navýšení tlakových ztrát při proudění heterogenních suspenzí. Při vhodném rozdělení velikosti částic lze dosáhnout toho, že jemnější frakce se pohybuje u stěny potrubí a omezuje přímý kontakt hrubé frakce se stěnou potrubí. Výsledkem je snížení energetické náročnosti při dopravě suspenzí. Tento jev však platí v omezeném rozsahu rychlosti, a to pouze do rychlosti, kdy se celá suspenze dostává do vznosu.
Vedle proudění suspenzí v horizontálním potrubí je celá řada aplikací, kdy suspenze proudí vertikálně či proudí ve skloněném potrubí. Tyto sklony potrubí představují další rozměr při výzkumu pohybu suspenzí. Při proudění směrem vzhůru dochází vlivem usazovacích rychlostí pevné fáze ke zvýšení lokální koncentrace a současně ke snížení dopravní koncentrace. V případě, kdy suspenze proudí směrem dolu, dochází naopak ke snížení lokální koncentrace a ke zvýšení dopravní koncentrace. S těmito vlivy musí být uvažováno při správném návrhu dopravních systémů.
Obr. 1 Analýza pohybu jednotlivých částic při proudění čedičové suspenze
Výzkum na Ústavu pro hydrodynamiku
Pro výzkum dvoufázového proudění je ústav vybaven řadou experimentálních zařízení v laboratorním i poloprovozním měřítku. Pro výzkum heterogenních suspenzí je využíváno poloprovozní zařízení, které se skládá z nerezového ocelového potrubí o vnitřním průměru 100 mm, oběhového čerpadla, zásobní nádrže a dalších komponent. Část této trasy je možné plynule naklánět až do vertikální polohy. Součástí trubní trasy jsou také radiometrická zařízení, která umožňují měření lokální objemové koncentrace, a to i ve sklápěné části. Na trase byly prováděny pokusy se skleněnou balotinou, pískem, štěrkem, čedičem a dalšími materiály v rozsahu velikosti částic od 0,2 mm až do 12 mm v závislosti na dopravované suspenzi.
Pro výzkum chování homogenní suspenze je k dispozici nerezová trubní trasa o vnitřním průměru 36 mm. Trasa je vybavena objemovým čerpadlem, které umožňuje dosáhnout až kašovité konsistence dopravovaného materiálu.
Na trubních trasách byl sledován vliv jednotlivých parametrů (velikost částic, objemová koncentrace, sklon potrubí) na celkové tlakové ztráty, na rozdělení lokální koncentrace v horizontálním i šikmém potrubí, na kritickou rychlost. Byl také analyzován pohyb částic při proudění čedičové suspenze - viz obr. 1.
Publikace:
Vlasák, P., Chára, Z., Konfršt, J., (2017). Flow behaviour and local concentration of coarse particles-water mixture in inclined pipes. Journal of Hydrology and Hydromechanics 65(2), 183-191.
Vlasák, P., Chára, Z., Konfršt, J., (2016). Distribution of concentration of coarse particle-water mixture in horizontal smooth pipe. Canadian Journal of Chemical Engineering 94(6), 1040-1047.
Matoušek, V., Vlasák, P., Chára, Z., Konfršt, J., (2015). Experimental study of hydraulic transport of coarse basalt. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Maritime Engineering 68(2), 93-100.
Matoušek, V., Krupička, J., (2014). One-dimensional modeling of concentration distribution in pipe flow of combined-load slurry. Powder Technology 260, 42-51.