ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТРАНСПОРТИРОВКИ ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНОГО МАТЕРИАЛА К ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ СКВАЖИНЫ
В настоящее время среди исследователей нет единой точки зрения на формирование структуры гравийно-обсыпных фильтров, а результаты лабораторных опытов и натурных наблюдений не всегда правильно трактуются. Поэтому необходимо рассмотреть основные закономерности движения твердых частиц в водной среде и проанализировать на основе этого данные опытов и наблюдений, опубликованных различными авторами.
При установке гравийно-обсыпных фильтров материал °бсыпки транспортируют в призабойную зону по кольцевому зазору труб или труб и стенок скважины (а иногда по трубам, ^пУЩенным на глубину обсыпки) в водной среде. При этом материал обсьщки можно транспортировать в воде, находящейся состоянии покоя (гравитационное осаждение), в нисходящем стоке воды (гидромеханическая укладка) и в восходящем по — (гидродинамическое осаждение). на < гравитационном осаждении в кольцевом зазоре обычно апливается определенное количество мелких частиц, харак — в 1 ИзУк>щихся малой скоростью свободного осаждения и пре — ******* водную среду в эмульсию с повышенными вязью и плотностью, что в конечном итоге приводит к
зависанию в кольцевом пространстве гравия и образованию пробок. Поэтому данный способ целесообразно применять при небольшой глубине обсыпки и больших размерах кольцевого зазора, а также при наличии хорошо отмытого и отсортированного материала.
При гидромеханической укладке материал транспортируют обычно в процессе откачки воды из скважины или закачивания ее по кольцевому зазору обсадных труб и стенок скважины; в некоторых случаях — через бурильные или специально установленные в скважине трубы. Гравий транспортируют в призабойную зону нисходящим потоком воды при помощи эжекторного смесителя или лубрикатора. При этом если скорость движения гравийной пульпы значительно превышает скорость свободного падения частиц, расслоение материала обсыпки будет минимальным. Этот способ позволяет создавать гравийные фильтры на больших глубинах при малых кольцевых зазорах, однако при этом гравий укладывается плотно и все мелкие частицы попадают в призабойную зону, частично удаляясь через рабочую поверхность фильтрового каркаса. При создании гравийных пробок в кольцевом зазоре устранить их технически сложно.
Поэтому при использовании для обсыпки песчано-гравийного материала, содержащего мелкий песок и глинистые частицы, в данном случае возможно загрязнение и кольматация рабочей поверхности фильтра и обсыпки. Уплотнение обсыпки уменьшает ее фильтрационную способность.
Осаждение материала обсыпки в восходящем потоке воды имеет ряд существенных преимуществ перед другими способами и позволяет создавать совершенную структуру гравийного фильтра на значительных глубинах с использованием для его создания песчано-гравийного материала низкого качества.
На работу скважин с гравийно-обсыпными фильтрами значительное влияние оказывает структура обсыпки в прифильтро — вой зоне. Формирование структуры обсыпки зависит от способа образования гравийного фильтра. Существующие рекомендаций по этому вопросу носят слишком общий характер и касаются главным образом технологических приемов создания гравийнообсыпных фильтров, не отражая сути происходящих при этом процессов.
.Основной недостаток известных в настоящее время рекомендаций по созданию гравийно-обсыпных фильтров состоит в том. что они не объясняют, каким образом можно обеспечить созда; ние на заданной глубине гравийного фильтра необходимо» структуры. В большинстве случаев отсутствует даже ясное преД’ ставление о том, как формируется структура обсыпного фильтр3 при применении того или иного способа обсыпки. Это объясняется сложностью процесса и трудностью его исследования.
Законченных исследований, освещающих эти вопросы, нет н> в нашей стране, ни за рубежом. В настоящей работе делаете
попытка проанализировать процесс формирования гравийнообсыпного фильтра, создаваемого, согласно принятой нами технологической схеме, в восходящем потоке воды при условии транспортирования материала обсыпки по кольцевому пространству между стенками скважины и трубами шириной 100—150 мм после установки в ней фильтрового каркаса.
В рассматриваемой нами схеме речь идет о стесненном осаждении твердых частиц в воде. Кроме того, процесс осаждения крупных частиц здесь совмещается с транспортировкой вверх восходящим потоком мелких фракций. В общем случае скорость стесненного осаждения твердых частиц зависит в основном от геометрических размеров пространства, в котором происходит этот процесс, концентрации частиц и их гидромеханических характеристик: скорости свободного осаждения, числа Рейнольдса 1?е и коэффициента сопротивления свободно осаждающихся частиц. На транспортировку твердых частиц вверх восходящим потоком воды, кроме указанных выше факторов, влияют скорость и структура потока.
Прежде чем приступить к изложению вопросов формирования гравийно-обсыпных фильтров, остановимся на основных закономерностях движения твердых частиц в жидкости применительно к рассматриваемым нами условиям.
Одной из главных характеристик твердых частиц при транспортировке их гидравлическим способом является скорость свободного падения в жидкости. Поскольку она определяется в основном крупностью — частиц, то эту величину называют гидравлической крупностью. Известно большое количество формул определения этого показателя, область применения которых ограничивается характером взаимодействия твердых частиц и жидкости. Как известно, различают три области взаимодействия частиц с жидкостью: ламинарного обтекания (Ке<0,5), турбулентного обтекания (Ке>200ч-400) и переходную область (0,5<Ке<200). Для создания гравийно-обсыпных фильтров обычно используют материал с диаметром фракций £> = =0,54-10 мм и у = 2,55ч-2,65 г/см3. Для таких частиц характерны турбулентная и переходная области взаимодействия их с потоком воды. Скорость свободного осаждения частиц и*, имеющих форму шара, может быть определена из выражений:
при Ке>1
и* =0,24[£(у5-уо)]2/3ц’/3у1/3; (Ш-1)
при Ке>250ч-400
(111.2)
где £ __ ускорение силы тяжести; у8, у0 и у — соответственно плотности породы, жидкости и пульпы; р. — коэффициент абсо-
лютной вязкости жидкости; £>— диаметр частиц; ч|) — коэффициент сопротивления при обтекании частиц.
Значения коэффициента я]) для горных пород при £>>1,5 мм (для турбулентной области) с учетом формы и поверхности частиц приведены в табл. 10 (по А. Е. Смолдыреву).
|
Таблица 10
|
Для практического использования пригодны и другие рекомендации [72], основанные на упрощении или уточнении расчетных зависимостей (III. 1) и (III. 2). Так, для переходной области обтекания частиц потоком жидкости (в пределах Ие= = 2-^300) можно воспользоваться расчетной формулой
и* =25,8£>?/а2 — Vчd^> см/с, (Ш.4)
где а= (^8—’Уо)/’У<>; То — плотность воды; а при Ие>250 — видоизмененной формулой (Ш.2);
(если г1)=я/16);
Можно воспользоваться также шкалой Б. В. Архангельского [72], рекомендуемой нормами на проектирование гидротехнических сооружений (см. табл. 9), и графиком, показанным на рис. 31.
На практике, как правило, наблюдается движение твердых частиц в стесненных условиях, которое существенно отличается от свободного осаждения их в жидкости.
На движение частиц в стесненных условиях влияет сближенность стенок; это влияние характеризуется уменьшением скорости падения частицы вследствие того, что определенное количество жидкости протекает между твердой частицей и гра; ницами потока навстречу частице. По данным исследований А. Е. Смолдырева, условия падения одиночных частиц пр11 сближенных стенках потока выражаются зависимостью виДа
«;/«* = 1-ба, (Ш.6)
где и* — скорость стесненного осаждения; и„ — скорость _св°’
бодного осаждения; Ь—соотношение размеров частиц и трубы (£>/£> т).
Скорость стесненного осаждения группы частиц характеризуется зависимостью
и’1/и% = (1 —в)п, (111.7)
|
1^,0 м/с
Рис. 31. График зависимости скорости свободного осаждения твердых частиц в воде от их диаметра |
где в -— концентрация (насыщение) твердых частиц в жидкости, Сражаемая отношением объема твердых частиц к объему гидросмеси; п—24-7 — диапазон изменения средних значений показателя степени по опытам.
Эта формула приемлема при условии 1<Не<450. При этом
„ = 5(Г—О. г^Ие). (Ш.8)
Здесь Ке=.£>оср — число Рейнольдса для средневзвешенно — го размера £>0сР; V — коэффициент кинематической вязкости Жидкости.
Значения коэффициентов кинематической вязкости воды V приведены в табл. 11.
|
Таблица 11
|
В зависимости (Ш.7) наибольшие значения п = 7 характерны для мельчайших частиц неправильной формы при высоких насыщениях гидросмеси. Наиболее вероятный интервал значений п при часто встречающихся значениях 5 лежит в пределах п=2ч-5.
Скорость стесненного осаждения частиц можно определить также по формуле, полученной Д. М. Минцем с применением методов теории подобия и равномерностей
|
2 . — …3 1 |
|
-Ьт3, (Ш.9) |
иЦи* = + |/ р (1 ~т)
Иег]з г I Ие яр
где т—-пористость осаждающегося гравия; (1—т) — соответственно объемная концентрация гравия; с — переменная величина, возрастающая с увеличением крупности частиц, с=сл+ +хк3 для песка и гравия сл=4,5; т=0,019; &3=Реу, ф.
Расчетные формулы (Ш.7) и (Ш.9) дают результаты, существенно не отличающиеся между собой, и могут быть использованы для расчетов как равноценные. Так, скорость стесненного осаждения в воде зерен песка диаметром 1 мм при объемной концентрации 15%, определенная по формуле (Ш.7), равна
6 см/с, по формуле (Ш.9) — 6,6 см/с.
Из формулы (III.7) следует, что концентрация частиц в гидросмеси существенно влияет на их скорость, особенно При 5>0,2.
Скорость стесненного осаждения твердых частиц концентрации 5 в условиях сближенности стенок определяется завися мостью.
иЦи* = т2(1 — Ь2). (Ш-10>
гдет=1—5. ,
Формула (111.10) подтверждает, что влияние Ъ на величину и* существенно лишь для крупных частиц при сравнительно большом их насыщении. В рассматриваемых нами услови
при Лт = 1404-70 мм и £> = 14-10 мм значения Ъ изменяются в пределах 0,0074-0,14. Соответственно (1—Ь2) =0,9999—0,9804. Следовательно, при таких значениях Ь влияние сближенности стенок на скорость движения твердых частиц в стесненных условиях будет ничтожно малым и при расчетах этим фактором можно пренебречь. По этой причине влияние шероховатости стенок на движение твердых частиц также будет незначительным, и эти факторы нами в дальнейшем не рассматриваются.
При пользовании формулами (Ш.7) и (111.10) средний диаметр зерен данной фракции рекомендуется находить весовым способом для частиц размером крупнее 1,5 мм по формуле
где й — масса порции материала данной фракции; — плотность породы; —количество частиц в порции.
По значению И определяют ы*, а затем и*.
Движение гидросмеси в восходящем потоке зависит от соотношения скорости потока и и скорости стесненного осаждения и‘. При твердые частицы образуют взвешенный
слой. При дальнейшем увеличении скорости наступает перенос частиц, который характеризуется зависимостью
У$=к0(и—и1), (111.12)
где V., — количество уносимых потоком частиц в единицу времени; &0—постоянная для рассматриваемых условий движения.
При поступательном движении частицы совершают поперечные движения с заметным ускорением и замедлением. Это объясняется влиянием твердых границ, неправильностью формы частиц, эффектом их столкновения и турбулентностью потока. При этом поступательное движение сопровождается вращением частиц.
А. Е. Смолдырев выделяет следующие фазы движения в за-
»/ п
висимости от значений и и. При скоростях в нижней
части восходящего потока образуется взвешенный слой и наблюдается фильтрация жидкости через этот слой — при некотором расширении его вследствие превышения и по сравнению с и"’.
При (2,54-5) и1 наступает вторая фаза движения, характеризующаяся интенсивным переносом твердых частиц при Неравномерном распределении их по высоте потока вследствие Перегруппировки частиц, отличающихся размерами и формой, особенно характерно это явление при высоких значениях 5. 1 Ретья фаза движения наблюдается при и> (54-7) ы* и характеризуется практически равномерным распределением твердых частиц по высоте потока.
„Характерной особенностью транспортировки песчано-гра-
‘•иного материала в рассматриваемой нами схеме является
нисходящее движение его в восходящем потоке воды. При этом скорость восходящего потока регулируют таким образом, чтобы мелкие частицы, для которых действительно отношение и >и„ транспортировались вверх, а более крупные частицы, отвечающие отношению и„ транспортировались вниз в направлении, противоположном движению воды. Относительная скорость движения твердых частиц для вертикального потока соответствует зависимости:
и—ив = и1, (III. 13)
где и — скорость свободного или стесненного падения частиц; и8 — относительная скорость движения частиц.
Относительную скорость частиц при равномерном движении гидросмесей можно приближенно определить по приведенным выше формулам. Расчетная формула (Ш.9) дает результаты, отличающиеся в сторону увеличения примерно на 10%.
Как видно из приведенных выше данных, концентрация (насыщение) твердых частиц в жидкости является важнейшей характеристикой гидросмесей, и при расчетах важно располагать этой величиной с достаточной достоверностью. Обычно концентрация выражается отношением объема твердых частиц к объему гидросмеси, т. е.
5 = (‘У —Уо)/(^= —"Уо)» (Ш.14)
где у, — уо и ув — соответственно плотности гидросмеси, дисперсионной среды и дисперсной фазы.
Однако 7 — динамически изменяющаяся величина и определить ее на практике трудно. В связи с этим использовать зависимость (Ш.14) не всегда возможно. При гравийной обсыпке обычно известными величинами являются гранулометрический состав и гидравлическая характеристика материала обсыпки, интенсивность его загрузки и скорость потока воды. Рассмотрим возможность определения 5, исходя из этих величин.
Пусть на единицу площади поверхности воды равномерно поступает песчано-гравийный материал с интенсивностью № (см3/с-см2).
Обозначив объем каждой фракции через п (см3/с-см2), за* пишем
ИЛИ Л^’ = П2 -|- Щ… ~Ь А2/
1
Попадая в водную среду, частицы каждой фракции начИ’ нают двигаться вниз со скоростью и. При движении воДь вверх со скоростью и относительная скорость движения част# ив — и—Если через каждую секунду на площадку, равну
1 см2, поступает объем твердых частиц, равный № см3, то в некотором объеме воды на участке длиной £ см будет постоянно находиться объемное количество частиц, равное:
N = пх -1 п% ———————— п3 + … 4———— п.1 —
и 81 ^52 ^3
1
а в единице объема жидкости соответственно концентрация твердых частиц в долях единицы объема будет равна:
Соответственно при осаждении в неподвижной воде в стесненных условиях
в =
1
Для выражения концентрации в процентах результат умножается на 100.
Таким образом, концентрация твердых частиц при загрузке их в воду прямо пропорциональна интенсивности загрузки и обратно пропорциональна скорости их осаждения. Отсюда следует, что для создания заданной концентрации твердых частиц при осаждении их в воде интенсивность загрузки материала обсыпки должна регулироваться с учетом его гидравлической характеристики: материал обсыпки, состоящий из более крупных частиц, характеризующихся более высокими скоростями осаждения, необходимо засыпать с большей интенсивностью, чем материал, состоящий из мелких частиц. Соответственно при одинаковой интенсивности загрузки материал, состоящий из мелких частиц, будет создавать более высокую концентрацию, чем материал из крупных частиц, на величину, пропорциональную соотношению их гидравлической крупности. При разнозернистом составе материала обсыпки необходимо учитывать количественное соотношение фракций и их гидравлическую характеристику (скорость свободного осаждения, число Рейнольдса, коэффициент сопротивления свободно осаждающихся частиц).
По данным исследований Д. М. Минца, С. М. Шуберта и
Е. Смолдырева, с увеличением концентрации частиц скорость Тесненного осаждения быстро уменьшается. Однако для более мелких частиц влияние концентрации сказывается в большей СТепени, чем для крупных. Эта закономерность ясно выражена На рис. 32.
Она обусловливает так называемое расслоение песчано-гравийной смеси, под которым подразумевается значительное отклонение гранулометрического состава отдельных участков обсыпки в прифильтровой зоне от его первоначального состава. Степень расслоения оценивается отношением средних диаметров £>50 и коэффициентов неоднородности т] песчано-гравийного материала на отдельных участках фильтра к этим величинам исходного (первоначального) материала обсыпки.
|
|
|
" / |
|
Рис. 32. График зависимости относительных скоростей стесненного осаждения частиц в воде и /и * от их объемной концентрации.9: 1—гравий с размером зерен более 10 мм; 2—песок с размером зерен 0,1 мм; 3, 4—частицы размером менее 10 мм и более 0,1 мм |
|
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 S |
Увеличение интенсивности загрузки до некоторого (критического) предела приводит к тому, что твердые частицы начинают накапливаться в водной среде, создавая высокую их концентрацию, и тогда все онй независимо от гидравлической характеристики движутся в водной среде общей массой, а в случае сближенности стенок создают пробки (зависают) в трубах или кольцевом пространстве. Здесь фактически дисперсионная среда перестает активно влиять на процесс осаждения и гидравлические свойства твердых частиц (дисперсной фазы) проявляются слабо.
Из изложенного выше следует важный для практики вывод: вначале увеличение концентрации частиц разнозернистого материала обсыпки приводит к увеличению его расслоения за счет отставания в осаждении мелких частиц по отношению к крупным; затем, при достижении высокой концентрации частии степень расслоения материала обсыпки начинает уменьшаться вследствие того, что частицы начинают осаждаться группами я агрегатами независимо от их крупности и общей массы.
На рис. 33 показана схема течения потока воды через сгуст’ ки твердых частиц различной концентрации. При образовании сгустка из большого числа сблизившихся частиц поток воды в основном обтекает сгусток и лишь в небольшой мере пронизЫ
108
вает узкие поры между частицами. Сгусток необтекаемых частиц имеет повышенную скорость падения соответственно его большим размерам по сравнению с размером одиночной частицы. При этом различие в условиях движения периферийных и внутренних частиц сгустка приводит к его постепенному разрушению и замедлению падения. С уменьшением концентрации
|
К®) К®)! ЖвЖв) |
|
I |
г ©•©•©«© ©•©•©•©•©’ •©•©*©•©• 4®*$ •©•©•©! >,©•©•©•© / ‘ .©•©•©•/ © • © •
в
© ©
д. у. г.Л ‘ © © /@ / ©’ © © © © к©/ © V © © V ©/
© © © ©
Рис. 33. Схема течения потока воды через сгустки твердых частиц: а — полное обтекание сгустка частиц; б — частичное обтекание сгустка частиц; в — полное обтекание каждой частицы
частиц увеличивается роль потока воды в процессе транспортирования и расслоения частиц.
Для обеспечения минимальной величины расслоения разнозернистого материала обсыпки необходимо обеспечить либо минимальную (до 10%), либо максимально возможную (более 30%) концентрацию частиц в жидкости. Из изложенных выше закономерностей следует также пропорциональность величины расслоения длине пути транспортировки.
Недоучет этих закономерностей некоторыми исследователями, проводившими опыты в узких пределах концентраций частиц и глубин скважин, привел к разноречивым, на первый взгляд, выводам о влиянии концентрации частиц (интенсивности загрузки) на степень расслоения: одни считают, что увеличение интенсивности загрузки ведет к уменьшению расслоения, лРугие — к увеличению расслоения.
Гак, Г. А. Родионов и В. И. Фоменко [59], исследуя зависимость расслоения от интенсивности загрузки при высоте паде — Ния частиц до 4 м, пришли к выводу, что для предотвращения Расслоения обсыпки по крупности следует увеличивать интенсивность загрузки до 10—20 кг/с.
Лабораторные исследования, приведенные в работе [59], вычинены в узких пределах концентрации частиц в воде. Соглас — Но зависимости (111.16), объемная концентрация частиц в этих
опытах составляла примерно 25—50%. При столь короткой длине пути транспортирования и высокой концентрации частиц закономерности расслоения не могут четко проявиться. Тем не менее, согласно зависимостям (III.7) и (Ш.9), при высоких концентрациях частиц (более 25%) относительные скорости движения крупных и мелких частиц с увеличением концентрации сближаются, в связи с чем расслоение уменьшается. Это видно из рис. 32. Однако если длина пути транспортировки материала обсыпки к забою будет значительной, эффект расслоения будет наблюдаться вследствие фактора времени.
Исходя из изложенного, большую интенсивность загрузки материала обсыпки, обеспечивающую концентрацию твердых частиц в воде 25—55%, можно рекомендовать лишь при небольшой длине пути транспортирования его по кольцевому зазору площадью не менее 2000 см2. При малой площади кольцевого зазора возможно зависание материала обсыпки и образование пробок.
Д. Гартон [83] для уменьшения расслоения рекомендует использовать более однородный по диаметрам частиц материал обсыпки или исключить свободное падение частиц в воде путем использования питающей трубы, поднимаемой по мере заполнения затрубного пространства гравием. Целесообразно также использовать водорастворимые клеящие вещества (например, меласу), обеспечивающие падение частиц общей массой. Кроме того, рекомендуется инжектирование гравия в питательную трубу вместе с водой или использование малых дозаторов. Интервал времени между дозами при этом дожен быть достаточным для обеспечения смешивания различных фракций. Как будет показано в § 9, перерывы в загрузке приводят к расслоению материала обсыпки, поэтому для уменьшения расслоения надо обеспечивать непрерывность подачи его к призабойной зоне.
В работе [64] приведены графики расслоения гравия, построенные на основе ‘-полевых исследований, которые подтверждают отсутствие какой-либо закономерности в расслоений (рис. 34), хотя в выводах сообщается, что расслоение зависит от неоднородности, окатанности и непрерывности подачи гравия. Приведенные в работе исходные данные и условия проведения опытов позволяют дать оценку этих опытов с точки зре — ния изложенных выше закономерностей транспортирования в воде твердых частиц. Интенсивность загрузки материал3 обсыпки в опытах составляла в среднем 40 кг/с, длина пути транспортирования 28—55 м. Согласно зависимости (111.1“)» объемная концентрация частиц в воде в данном случае составляла более 30—35%. Образцы для анализа отбирали из труоь диаметром 63 мм, установленной в кольцевом зазоре скважинь и обсадных труб. Согласно зависимости (111.10), на движени частиц в трубе диаметром 63 мм существенное влияние оказь
вает сближенность стенок, в то время как в кольцевом зазоре скважины и обсадных труб это влияние несущественно. Поэтому выводы из опытов, полученных в трубе малого диаметра, нельзя распространять на условия скважины. В трубе малого диаметра при высокой концентрации частиц и малой длине пути транспортирования закономерности расслоения частиц в
сквл скв.6 скв. т скв. 183 скш
|
|
|
Рис. 34. Графики изменения межслойных коэффициентов при расслоении гравия (по скважинам Каменского вертикального дренажа): коэффициенты мецкслойности: і — расчетный; 2 — фактический |
данных опытах четко не проявились. Так как материал обсыпки загружали автосамосвалами и бульдозерами, в скважинах наблюдалось движение частиц большими сгустками с полным обтеканием сгустков и последующим их разрушением, как показано на рис. 33, а, б.
При изучении движения гидросмесей важно знать распределение концентрации твердых частиц в потоке. Опыты, проведенные различными исследователями [45, 84], показывают, что Для отдельных фаз движения характерны в большей или меньшей степени скопления перемещающихся частиц в пристеночной °бласти, а для крупных частиц — в ядре потока. Наиболее Четко неравномерность распределения наблюдается при ‘К иКр (под ^кр здесь понимается гидравлическая характеристи — а Несущей способности потока, т. е. скорость, обеспечивающая Ранспортировку твердой фазы). При 1(>икр характерно прак — чески равномерное распределение концентрации частиц в Перечном сечении труб. и работе [84] проведены измерения, показывающие, что при, ь кр в потоке глинистой гидросмеси и в воде концентрация еРдых частиц распределяется по кривой Гаусса (измерения
проводили при 5 = 2,5% )> а ври очень малых концентрациях наблюдаются отклонения от этой кривой. При малых 5 частицы движутся по независимым траекториям с малыми флуктуациями концентрации в радиальном направлении. Вероятно, здесь проявляется эффект Сегре—Зильберга (1961), обнаруженный для малых концентраций частиц при ламинарном режиме движения. Суть этого эффекта состоит в следующем. Если плотность дисперсной фазы намного больше плотности дисперсионной среды, то частицы сравнительно быстро перемещаются к стенкам трубы при нисходящем течении жидкости и к оси трубы — при восходящем.
На основе данных, полученных А. К. Курбатовым, показано, что твердые частицы правильной формы размером более
1, 2—2 мм при скоростях, больших гидравлической крупности, движутся в восходящем потоке по волнистым траекториям, близким к прямолинейным, что объясняется большей инерцией частиц, которые слабо вовлекаются в турбулентное перемешивание потока несущей жидкости. С увеличением диаметра частиц более 5 мм наблюдается повышенная концентрация частиц в ядре потока. Это явление объясняется существенным влиянием на движение частиц градиента осредненного поля скоростей жидкости тем более значительным, чем больше размер частиц. При поступательном движении частицы вращаются, скорость вращения увеличивается в направлении от ядра потока к стенкам. Причиной вращения твердых частиц является вращательный момент, возникающий вследствие наличия градиента скоростей на поверхности частицы. Экспериментальные данные показывают, что с уменьшением средней скорости несущей жидкости градиент скорости уменьшается, вследствие чего область потока от оси трубы, в которой происходит поступательное движение крупных частиц, увеличивается. Поэтому при весьма малых скоростях восходящих потоков (0,5—2 см/с), применяемых при гравийнон обсыпке, можно говорить о практически равномерном распределении скоростей по всему сечению.
В целом движение твердых частиц в восходящем потоке воды представляется следующим образом. Твердые частицы движутся в потоке со скоростью, равной местной скорости ЖИДКОСТИ в центре тяжести за вычетом гидравлической КруПНОСТ!1 или скорости стесненного падения частиц. На твердые частицыв нристеночной области потока действуют силы, направленные ь центру трубы и возникающие в результате градиента осредие ных скоростей несущей жидкости. Влияние этого градиента мелкие частицы незначительно, поэтому они обычно равноМеР но распределяются по сечению трубы. С увеличением крупно частиц до 5 мм влияние градиента скоростей становится бо — шим и крупные частицы концентрируются в ядре потока. У движении полидисперсных гидросмесей мелкие частицы <<0ГеЧГ маются» более крупными частицами к стенкам трубы. С УБ ‘
чением скорости потока эпюры распределения скоростей вытягиваются вдоль оси, повышается градиент скоростей, что способствует уменьшению области в ядре потока, занятой крупными частицами.