Закон ламинарной фильтрации: Тема 7. Закон ламинарной фильтрации. Гидравлический градиент. Коэффициент фильтрации. Начальный градиент в глинистых фунтах. Эффектное и нейтральное давления в грунтовой массе.

Закон ламинарной фильтрации (закон Дарси).

Нужна помощь в написании работы?

Узнать стоимость

Закон ламинарной фильтрации Дарси устанавливает зависимость скорости фильтрации поровой воды от градиента гидравлического напора. Движение поровой воды называют фильтрацией, а связанные с этим процессы – фильтрационными.

В опытах Дарси измерял расход воды Q (м3) при фильтрации ее через цилиндр с песком площадью поперечного сечения А. Им получена следующая экспериментальная зависимость:

Q = k f ·i·A·t ,   (1)

где kf  – коэффициент пропорциональности, названный коэффициентом фильтрации; t – время фильтрации.

Определим понятие скорости фильтрации ϑf (м/с) как расход поровой воды через единицу поперечного сечения в единицу времени. Тогда из экспериментальной зависимости Дарси будем иметь:

ϑf =k f
·i.     (2)

Формула известна как закон ламинарной фильтрации Дарси, который можно сформулировать следующим образом: скорость фильтрации поровой воды прямо пропорциональна градиенту гидравлического напора.

Реальные грунты обладают начальным гидравлическим сопротивлением. Это означает, что фильтрационные процессы протекают лишь при гидравлических градиентах, больших определенной величины. Эту величину называют начальным гидравлическим градиентом i0. Величина начального гидравлического градиента, как и коэффициент фильтрации, зависит от вида грунта.

С учетом сделанного замечания запишем окончательное выражение для закона ламинарной фильтрации Дарси:

 ϑf =k f
·(i- i0).     (3)

Поможем написать любую работу на аналогичную
тему

• Реферат

  Закон ламинарной фильтрации (закон Дарси).

  От 250 руб

• Контрольная
  работа

  Закон ламинарной фильтрации (закон Дарси).

  От 250 руб

• Курсовая работа

  Закон ламинарной фильтрации (закон Дарси).

  От 700 руб

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему
учебному проекту

Узнать стоимость

Поделись с друзьями

• Содержание
• Материалы 1
• Меню

Грунт, его определение и особенности свойств по сравнению с другими материалами.

Классификация по ГОСТ 25100-95 (Грунты. Классификация).

Составные части (фазы) грунта. Характеристики физических свойств.

Виды воды в грунтах. Свойства различных видов воды.

Связаная вода. Ее природа.

Влияние связаной воды на свойства грунта.

Газовая составляющая грунта. Ее влияние на свойства грунта.

Природа связанности грунта (сцепление между частицами).

Региональные (особые) виды грунтов и их основные свойства.

Материалы по теме:

Закон ламинарной фильтрации. Коэффициент фильтрации.
Шпаргалка

Добавить в избранное
(необходима авторизация)

Закон ламинарной фильтрации — Студопедия

Поделись с друзьями: 

Водопроницаемость грунтов

Водопроницаемостью называется свойство водонасыщенного грунта под действием разности напоров пропускать через свои поры сплошной поток воды. Водопроницаемость грунтов зависит от их пористости, гранулометрического и минералогического составов, градиента напора.

Уплотнение водонасыщенного грунта вызывает уменьше­ние его пористости и влажности за счет выдавливания воды из пор грунта. Очевидно, что процессы уплотнения и развития осадок грунтового основания зависят от скорости фильтрации воды. Законы филь­трации воды в грунтах необходимо знать также при определении притока воды в котлован, размеров воронки депрессии поверхности под­земных вод и т. п.).

Исследованиями установлено, что движение воды в порах грунта происходит в соответствии с законом ламинарной фильтрации. Математическое выражение этого закона, предложенное французским ученым Дарси (1854 г.), имеет вид:

, (2.39)

где – скорость фильтрации, или объем воды, проходящей через единицу площади поперечного сечения грунта в единицу времени; – коэффициент фильтрации, равный скорости фильтрации при гидравлическом градиенте ; – гидравлический градиент, равный потере напора , отнесенной к пути фильтрации :

. (2.40)

В соответствии с законом Дарси: скорость фильтрации прямо пропорциональна гидравличе­скому градиенту .

Коэффициент фильтрации является основной фильтрационной характеристикой грунтов и имеет размерность см/с или м/сут. Для различных грунтов значение коэффициента пористости зависит от плотности сложения, гранулометрического, минералогического составов и других факторов. Для песчаных грунтов его значение изменяется в пределах – ; для супесей – ; для суглинков – ; для глин – см/с, где может быть любым числом от 1 до 10.

Движение воды в песчаных грунтах происходит по закону лами­нарной фильтрации (кривая 1 на рис. 2.8). В порах плотного пылевато-глинистого грунта нет свободной воды или она находится в разобщенных между собой относительно крупных по­рах, в виде гидратных оболочек связанной воды, окру­жающих частицы грунта. При этом фильтрация воды начинается лишь при градиенте, большем некоторого значения, необходимого для пре­одоления сопротивления ее движению водно-коллоидных пле­нок (кривая 2 на рис. 2.8).

Рис. 2.8. График зависимости скорости фильтрации от градиента напора:

1 – для песка; 2 – для глины

На этой кривой можно выделить два основных уча­стка: криволинейный участок АВ, соответствующий переходу от момента возникновения фильтрации к моменту развития установившейся фильтрации, и участок установившейся фильтра­ции ВС.

Для участка ВС скорость фильтрации находят по выра­жению:

, (2.41)

где – коэффициент фильтрации, определяемый в интервале зависимости между точками В и С; – начальный градиент напора, определяемый по графику на рис. 2.8.

В водонасыщенных грунтах, обладающих начальным гради­ентом напора фильтрации воды в зоне с не­большими градиентами практически не происходит, поэтому при сложившемся напряженном состоянии грунт в этой зоне не сможет уплотняться по закону фильтрационной консолидации.

В лабораторных условиях коэффициент фильтрации песчаных грунтов определяют при постоянном заданном градиенте напора с пропуском воды сверху вниз или снизу вверх, при предварительном насыщении образца грунта водой снизу вверх. Коэффициент фильтрации пылеватых и глинистых грунтов определяют при заданном давлении на грунт и переменном градиенте напора с пропуском воды сверху вниз или снизу вверх, при предварительном насыщении образца грунта водой снизу вверх без возможности его набухания.

Коэф­фициент фильтрации песков и супесей для расчета притока воды в котлованы рекомендуется определять в полевых усло­виях методом пробных откачек или путем налива воды в сква­жины.

---

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  

---



Понимание принципов ламинарного воздушного потока | Блог системного анализа

Автор

Каденс CFD

Ключевые выводы

• Система ламинарного воздушного потока направлена ​​на снижение турбулентности и поддержание однородности потока для уменьшения загрязнения.

• Ламинарный режим воздушного потока может применяться для операций с нисходящим или поперечным потоком.

• Инструменты

  CFD могут помочь в выявлении турбулентных областей и смягчении их с помощью точного моделирования.

Концепция ламинарного течения предполагает способность частиц жидкости двигаться по плавной траектории, при этом каждый слой движется параллельно другому. Эта концепция использовалась при разработке многих аэродинамических и гидродинамических систем, чтобы сделать их более эффективными за счет уменьшения сопротивления трения. Ламинарный поток воздуха следует точному принципу, согласно которому блоки обработки воздуха спроектированы так, чтобы демонстрировать однородность направления и скорости потока, а также обеспечивать постоянство.

Значение ламинарного воздушного потока проявляется в лабораториях или при производстве сложных полупроводников, где желательна стерильная рабочая среда. С помощью CFD-анализа можно эффективно моделировать такие системы с ламинарным потоком воздуха, включая камеры с нисходящим и поперечным потоком, туннели и рабочие места, при этом можно решить основные уравнения для прогнозирования скорости, давления и температуры, подходящих для создания стерильной среды. .

Ламинарный воздушный поток

Ламинарный поток воздуха относится к потоку в системе распределения воздуха, который следует принципу ламинарного потока воздуха. Когда молекулы газа движутся прямыми параллельными слоями, не пересекаясь и не смешиваясь друг с другом, образуются ламинарные условия. В замкнутом пространстве однородность скорости и направления за счет ламинарного потока воздуха дает возможность создать эффективную систему циркуляции. Циркуляция отфильтрованного воздуха в системе является ключом к поддержанию чистой и незагрязненной окружающей среды.

Этот тип системы ламинарного воздушного потока обычно используется в таких отраслях, как химическое производство или производство полупроводников, а также в медицинских и биологических лабораториях, где требуется однонаправленный поток чистого воздуха для максимальной защиты от внешних частиц. Большинство вентиляционных установок достигают этого, применяя вертикальный (нисходящий поток) или горизонтальный (поперечный поток) ламинарный режим воздушного потока.

Как работает система ламинарного воздушного потока?

Типичная компоновка системы воздушного потока включает закрытую камеру, рабочую станцию, систему фильтрации воздуха, освещение и вентилятор или воздуходувку. Вентилятор или воздуходувка всасывает воздух, который фильтруется через фильтрующую прокладку. Затем этот отфильтрованный воздух проходит через фильтр твердых частиц, который облегчает удаление микрозагрязнителей, таких как бактерии или пыль. Таким образом, стерильная рабочая среда может быть достигнута в рабочей зоне с равномерным потоком воздуха.

Вертикальный ламинарный поток воздуха: В системе с вертикальным ламинарным потоком воздуха фильтр расположен в верхней части шкафа, откуда комнатный воздух поступает в рабочую зону. Когда отфильтрованный воздух течет вертикально вниз к рабочей поверхности, загрязняющие вещества, включая бактерии или частицы, удаляются, создавая чистую рабочую среду.

Горизонтальный ламинарный поток воздуха: В системе с горизонтальным ламинарным потоком воздуха блок фильтрации расположен сбоку шкафа, откуда комнатный воздух поступает в рабочую зону. Затем отфильтрованный воздух течет горизонтально к рабочей поверхности, сметая загрязняющие вещества вместе с потоком.

Анализ ламинарности с помощью инструментов CFD

Хотя ламинарность является целью систем воздушного потока, турбулентность может привести к загрязнению из-за отсутствия контроля потока. При проектировании систем ламинарного воздушного потока важно визуализировать ламинарность и любую нежелательную турбулентность. С помощью инструментов CFD можно анализировать диапазон чисел Рейнольдса в системе для проверки ламинарных и турбулентных условий. Любые области турбулентности, обнаруженные во время проектирования системы, могут быть устранены с помощью имитационной модели воздушного потока. В системе с ламинарным воздушным потоком анализ CFD также может помочь в расчете потерь давления, скорости и других характеристик воздушного потока с течением времени. Благодаря возможностям создания сетки и моделирования на платформах CFD, таких как Pointwise и Omnis, можно добиться желаемой ламинарности в конструкции системы воздушного потока.

Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы получать последние обновления CFD, или просмотрите пакет программного обеспечения Cadence для CFD, включая Omnis и Pointwise, чтобы узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас.

Программное обеспечение CFD Подпишитесь на нашу рассылку новостей

Доступ к электронной книге

Принцип работы ламинарного воздушного потока

— StudiousGuy

Ламинарный воздушный поток — это оборудование, которое обычно используется в микробиологических лабораториях. Он состоит из камеры с воздуходувкой, прикрепленной к ее задней стороне, которая обеспечивает поток воздуха с постоянной скоростью по прямым линиям, параллельным друг другу. Основная цель ламинарного бокса/вытяжного шкафа – создать рабочую среду, свободную от загрязнений. Для этого он фильтрует и улавливает все виды примесей, попадающих в шкаф. В нем используется фильтрующая прокладка и специальная система фильтрации, известная как высокоэффективный воздушный фильтр для твердых частиц или фильтр HEPA, который может удалять переносимые по воздуху частицы загрязнений размером до 0,3 микрометра. Камера с ламинарным потоком воздуха также известна как шкаф с ламинарным потоком или бокс для тканевых культур.

Указатель статей (щелкните, чтобы перейти)

Принцип работы камеры с ламинарным потоком воздуха

Как следует из названия, камера с ламинарным потоком воздуха работает по принципу ламинарного потока воздуха. Поток воздуха называется ламинарным, если молекулы газа движутся по нескольким прямым линиям, параллельным друг другу. Молекулы газа не смешиваются друг с другом во время движения. В нем используется высокоэффективная система воздушного потока для твердых частиц, которая имеет тенденцию улавливать и удалять все виды нечистых частиц в воздухе для поддержания чистой и стерильной среды.

Детали камеры с ламинарным потоком воздуха

1. Корпус

Корпус камеры с ламинарным потоком воздуха обычно изготавливается из нержавеющей стали. Он обеспечивает изоляцию стерильной среды, создаваемой внутри вытяжки с ламинарным потоком воздуха, и защищает ее от загрязнения и нечистых частиц, присутствующих снаружи. Передняя сторона шкафа состоит из стеклянного экрана, который позволяет пользователю получить доступ к шкафу путем частичного или полного открывания.

2. Рабочая станция

Внутри камеры находится плоская рабочая станция, которая обеспечивает прочную основу для выполнения таких процессов, как культивирование тканей растений, формирование электронных пластин, культивирование микроорганизмов и т. д. Она помогает удерживать планшеты для культивирования, горелки, образцы и другие инструменты на месте. Материалом, обычно используемым для изготовления рабочей станции с ламинарной камерой воздушного потока, является нержавеющая сталь. Это связано с тем, что нержавеющая сталь прочна по своей природе и не подвергается легкому ржавлению или коррозии.

3. Фильтрующая прокладка

Фильтрующая прокладка используется для блокирования или улавливания нечистых частиц и предотвращения их дальнейшего распространения. Фильтрующая прокладка также известна как предварительный фильтр или первичный фильтр, поскольку она изначально всасывает воздух и выполняет первую стадию фильтрации воздуха. В шкафу с вертикальным ламинарным потоком воздуха фильтрующая прокладка размещается в верхней части устройства, тогда как в случае шкафа с горизонтальным ламинарным потоком воздуха она закрепляется на дне камеры. Нечистые частицы размером 5 микрон и выше обычно улавливаются фильтрующей прокладкой.

4. Вентилятор или воздуходувка

Вентилятор или воздуходувка всасывает предварительно отфильтрованный воздух через фильтрующую прокладку и направляет его к высокоэффективному воздушному фильтру для твердых частиц. В шкафу с вертикальным ламинарным потоком воздуха вентилятор обычно находится прямо под фильтрующей прокладкой. Напротив, положение вентилятора или воздуходувки в случае шкафа с горизонтальным ламинарным потоком воздуха находится рядом с фильтрующей прокладкой.

5. Фильтр HEPA

Фильтр Hepa или высокоэффективный воздушный фильтр для твердых частиц — это специальный воздушный фильтр, установленный внутри камеры, который помогает удалять все виды загрязняющих частиц, включая бактерии, грибки и частицы пыли, для поддержания безопасной и стерильная среда. Для этого предварительно отфильтрованный воздух проходит через фильтр HEPA, который действует как вторичный или конечный фильтр. Частицы размером даже 0,3 микрона можно успешно удалить с помощью HEPA-фильтра. Для удаления нечистых частиц фильтр HEPA обычно использует три механизма, как указано ниже:

1. Уловитель

При использовании этого механизма нечистые частицы прилипают к волокнам фильтра. Механизм перехвата используется фильтром HEPA для фильтрации крупных нечистых частиц.

2. Ударное воздействие

Внезапное изменение воздушного потока, в результате которого частицы застревают в волокнах фильтра. Импульсный механизм также используется для удаления из внутренней среды камеры сравнительно крупных загрязненных частиц.

3. Распространение

Здесь нечистые частицы имеют тенденцию взаимодействовать друг с другом, двигаться зигзагообразно и демонстрируют броуновское движение. Это случайное и повторяющееся движение частиц приводит к тому, что они застревают в волокнах фильтра. Относительно небольшие загрязнения могут быть удалены с помощью процесса диффузии.

6. УФ-лампа

Камера с ламинарным потоком воздуха обязательно состоит из лампы ультрафиолетового света, которая обычно используется для уничтожения микробов и бактерий, невидимых невооруженным глазом. Камера должна быть тщательно подвергнута воздействию ультрафиолетового излучения до и после использования. УФ-лампа очищает камеру, а также все другое оборудование, находящееся в ней, включая чашки Петри, пробирки, химические стаканы, часовые стекла и т. д. УФ-лампу следует включать не менее чем за 15 минут до операции.

7. Люминесцентная лампа  

Основное назначение люминесцентной лампы в камере с ламинарным потоком воздуха – обеспечить правильное освещение и освещение внутри колпака.

Работа камеры с ламинарным потоком воздуха

При включении устройства включается вентилятор и флуоресцентный свет. Воздух всасывается через воздуходувку, крупные нечистые частицы удаляются фильтрующей прокладкой, а мелкие загрязнения удаляются с помощью НЕРА-фильтра. Через некоторое время крышка устройства открывается полностью или частично. Затем рабочее место тщательно и надлежащим образом протирают спиртом и чистой тканевой или хлопчатобумажной тканью. Спирт, используемый для этой цели, может быть 60-9чистота 5%. После этого закрывают крышку прибора, выключают обдув и включают УФ-свет. Ультрафиолетовый свет является канцерогенным и вызывает мутации в организме, тем самым вызывая рак. Следовательно, пользователь не должен находиться в течение длительного времени под воздействием ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовый свет включается не менее чем на 15 минут, что убивает бактерии, патогены и другие примеси на микроуровне. Затем УФ-лампу выключают, и устройство тщательно стерилизуют.

Типы камеры с ламинарным потоком воздуха

Систему с ламинарным потоком воздуха можно разделить на три категории:

1. Вертикальная камера с ламинарным потоком воздуха

Вертикальная камера с ламинарным потоком воздуха состоит из вентилятора, прикрепленного к крыша кабинета. Воздух всасывается вентилятором и направляется вниз в вертикальном направлении. Воздух движется от верхней части шкафа к нижней части шкафа, тем самым подвергаясь положительному давлению. Поскольку воздух не направляется прямо на пользователя, он считается относительно безопасным. Ограничение камеры с вертикальным ламинарным потоком воздуха заключается в том, что она требует двойной установки фильтров HEPA, поэтому она сравнительно дорогая. Он широко используется в лабораториях.

2. Горизонтальная камера с ламинарным потоком воздуха

Входящий воздух, поступающий из-за стенда с ламинарным потоком, всасывается с помощью нагнетателя и проходит через HEPA-фильтр. Наконец, отфильтрованный воздух циркулирует внутри камеры в горизонтальном направлении. Горизонтальные ламинарные воздушные камеры громоздки и требуют сравнительно большой площади поверхности. Кроме того, этот тип системы воздушного потока не может обеспечить безопасность пользователя при работе с некоторыми лекарствами, такими как противоопухолевые препараты, поскольку отработанный воздух дует прямо на пользователя. По этой причине системы с вертикальным ламинарным потоком воздуха обычно предпочтительнее систем с горизонтальным ламинарным потоком.

3. Система притока воздуха от стены к полу

Воздух после фильтрации поступает в камеру через боковые стенки и направляется к полу по наклонной траектории. Система воздушного потока от стены до пола, как правило, обеспечивает очень стерильную и чистую среду и является портативной. Единственным ограничением использования этого типа системы воздушного потока является высокая стоимость установки и обслуживания.

Преимущества камеры с ламинарным потоком воздуха

1. Устройства с ламинарным потоком воздуха имеют преимущество, поскольку они не выделяют токсичных газов в окружающую среду, поэтому они экологически безопасны.

2. Ламинарные воздушные камеры не требуют частого обслуживания и ремонта. Единственная стоимость, связанная с такими устройствами, — это стоимость установки. Следовательно, они сравнительно недорогие и экономичные.

3. Они легко переносятся и могут быть легко перемещены в новое место.

4. Шкафы с ламинарным потоком воздуха снижают вероятность потенциальной турбулентности в окружающей среде во время эксперимента.

5. Некоторые устройства с ламинарным потоком воздуха хорошо оснащены интеллектуальными системами безопасности, которые, как правило, поднимают тревогу и уведомляют пользователя в случае любого нарушения безопасности.

Недостатки камеры с ламинарным потоком воздуха

1. Размещение предметов или рук на устройстве нарушает поток воздуха, вызывает турбулентность и снижает способность устройства должным образом стерилизовать внутреннюю среду.

2. Некоторые типы устройств с ламинарным потоком воздуха имеют тенденцию выдувать пары в сторону лица пользователя.

3. Устройства с ламинарным потоком воздуха требуют надлежащего обращения и ухода для лучшей работы.

Применение камеры с ламинарным потоком воздуха

Камера с ламинарным потоком воздуха имеет множество применений в различных секторах, включая медицину, биологические лаборатории, химическую промышленность, производственные предприятия, фармацевтические фирмы и многие другие. Ниже перечислены некоторые из известных применений бокса с ламинарным потоком воздуха:

1. Шкаф с ламинарным потоком воздуха обычно используется в лабораториях для создания стерилизованной среды для таких процессов, как культура тканей растений. Это связано с тем, что на эти процессы легко повлиять из-за присутствия примесей в окружающей среде.

2. Производство и эксплуатация некоторых электронных устройств, чувствительных к частицам, происходит внутри воздушных камер.

3. Одним из основных применений камеры с ламинарным потоком воздуха является фармацевтическая промышленность. Приготовление лекарств и лекарств обязательно требует чистой и стерильной среды. Таким образом, такие процессы осуществляются внутри боксов с ламинарным потоком воздуха.

4. В устройствах с ламинарным потоком воздуха выполняются различные лабораторные процедуры, такие как подготовка планшетов со средой, посев микроорганизмов и т. д.

Меры по выбору при использовании камеры с ламинарным потоком воздуха 

Существуют определенные меры, которые необходимо учитывать при доступе к камере с ламинарным потоком воздуха или при работе с ней.