Свойства и разработка новых оптических стекол - Царевский Е.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Наблюдения за движением уравновешенного шарика ведутся в стакане с перемешиваемой жидкостью, поставленном в квадратную кювету, заполненную той же жидкостью, на фоне белого экрана, освещенного сзади лампами дневного света.
Первые же наблюдения показали, что в перемешиваемой жидкости линии тока представляют собой пространственные спирали, идущие по окружающим мешалку концентричным торо-вым поверхностям различного радиуса. Центром их является окружность, расположенная в горизонтальной плоскости. Спирали имеют различную крутизну в зависимости от конфигурации мешалки, условий перемешивания и вязкости жидкости. Они достаточно сложны, и сравнивать их друг с другом для различных мешалок очень трудно. Из этого положения был найден следующий выход. Движения по сложным пространственным линиям тока можно разложить на два: на движение под действием равнодействующих сил, направленных вертикально и по радиусу стакана, и на вращение вокруг оси мешалки. Первое движение происходит в меридиональной плоскости стакана и характеризуется проекцией линий тока на эту плоскость. Она представляет собой систему концентричных эллипсов с центром, являющимся пересече-
* Употреблялись шарики из пластилина с добавками крокуса, уравновешиваемые в каждой данной жидкости. До перехода к растворам NaCl и LiCl в глицерине употребились шарики диаметром 1,0—1,5 мм, так как меньшие шарики в окрашенных жидкостях со следами мути различить трудно. При наблюдениях в бесцветных прозрачных жидкостях размеры шариков удалось уменьшить до
0,3—0,5 мм, что существенно, так как чем меньше размеры шарика, тем меньше нарушения он вносит в движение потоков и тем дольше он движется в одном определенном потоке.
171
нием меридиональной плоскости с кругом-центром торовых поверхностей. Такая картина изображена на рис. 1. Так как справа и слева от мешалки картина проекций линий тока симметрична, то на рисунке она представлена только для одной половины сосуда.
Для построения такой картины достаточно одновременно определить вертикальную и горизонтальную координаты уравновешенного шарика в ряде крайних положений (справа и слева от мешалки и вверху и внизу) при движении его по определенным линиям тока. Координаты шарика отсчитываются по двум сантиметровым сеткам, нанесенным на противоположные стенки квадратной кюветки. Наблюдатель совмещает глазом линии сеток с одинаковой нумерацией и отсчитывает координаты шарика в тот момент, когда он проходит мимо них. По найденным координатам шарика строится картина системы эллипсов, изображенная на рис. 1.
Форма эллипсов для одной и той же мешалки в пределах одной зоны перемешивания при различных скоростях вращения ее сохраняется неизменной. Положение центра эллипсов и высота их меняется только в зависимости от конфигурации ротора мешалки.
Рис. 1. Проекция Хотя эти картины являются качественной
линии тока на ме-
ридионачьную пло- характеристикой процесса перемешивания, но скость они дают достаточно наглядное представление
о характере движения потоков в зависимости от конфигурации ротора мешалки и условий перемешивания. Такие картины уже легче сравнивать друг с другом, чем пространственные, поэтому изучение характера перемешивания для каждой мешалки нужно начинать с получения картины проекций линий тока на меридиональную плоскость перемешиваемого сосуда.
Основные результаты работ, выполненных до середины 50-х годов, в которых принимали участие К- С. Евстропьев, М. М. Скорняков, М. С. Генрих и Н. А. Тудоровская, опубликованы в сборнике памяти акад. И. В. Гребенщикова [3].
Наиболее общим и интересным выводом из этих результатов явилось качественное представление о характере движения потоков в стекломассе в процессе варки при перемешивании лопастной мешалкой, создающей в центре стекловаренного сосуда поток вверх.
При этом были использованы очень наглядные результаты, полученные М. С. Генрихом при наблюдениях за изменением теневой картины от свилей в перемешиваемой нагретой модельной жидкости в процессе ее остывания при непрерывном нарастании вязкости.
172
При остывании нагретой жидкости быстрее всего стынут пристенные слои и в ней появляется градиент температуры, а следовательно, и вязкости, причем последняя увеличивается от центра сосуда к его стенкам. Это соответствует условиям охлаждения стекломассы на снижении. В процессе охлаждения жидкости картина свилей меняется непрерывно. В отдельные, наиболее характерные моменты были сделаны зарисовки ее, приведенные на рис. 2, а—в. Направление движения потоков определялось по движению имевшихся в жидкости пузырей.
Вначале в нагретой жидкости с малой вязкостью устанавливаются две зоны перемешивания с противоположными направле-
в)
Г
ж
Рис. 2. Изменение картины свилей в процессе перемешивания остывающей
модельной жидкости
ниями движения потоков (рис. 2, а). По мере нарастания вязкости верхняя зона постепенно уменьшается (рис. 2, б), пока не соберется вокруг верха штока мешалки. Нижняя зона постепенно увеличивается и наконец заполняет практически весь объем перемешиваемой жидкости (рис. 2, в).
