Ламинарное течение суспензий оказалось возможным только при равномерном распределении частиц и определенном сочетании свойств взвеси. 

Не все суспензии оказались способны к спокойному ламинарному движению. Их переход к турбулентному течению можно предсказать, зная ключевые гидродинамические характеристики потока. Об этом российские ученые пишут в статье, опубликованной журналом Physics of Fluids.

Cуспензия — это множество мелких твердых частиц, взвешенных в жидкости. Большинство практически важных материалов, включая эмалевые краски и цемент, являются именно суспензиями. В зависимости от размеров, плотности и количества частиц в этой двухфазной системе они могут распределяться равномерно либо медленно оседать под действием силы тяжести.

Течение у этих двухфазных систем, как и у обычных жидкостей, может быть плавным, ламинарным, либо, наоборот, турбулентным, с активным перемешиванием и вихрями. Оно характеризуется числом Рейнольдса, которое зависит от скорости, плотности, вязкости и других параметров среды. Переход числа Рейнольдса через критическое значение отражает возникновение неустойчивостей — и переход от спокойного течения к турбулентному.

Московские ученые: заведующий лабораторией механики многофазных сред НИИ Механики МГУ Александр Осипцов и Сергей Боронин, ведущий научный сотрудник Центра добычи углеводородов Сколтеха (SCHR), — рассмотрели параметры, при которых двухфазное течение равномерных и неравномерных суспензий будет ламинарным, а при каких — турбулентным. Им удалось показать, что переход потока через критическое число Рейнольдса определяется свойствами суспензии, которые описывают числа Стокса и Фруда.

Число Стокса показывает отношение кинетической энергии частиц к энергии их взаимодействия с жидкостью. Если доминирует первая, то при огибании жидкостью препятствия частицы будут сталкиваться с ним; если же превалирует энергия взаимодействия, то они обогнут препятствие вместе с жидкостью. Число Стокса зависит от вязкости и скорости течения жидкости, размеров и плотности взвешенных частиц и других параметров. Число Фруда отражает отношение инерции течения к действию внешней силы. Оно описывает устойчивость потока при воздействии, например, гравитационном.

Осипцов и Боронин нашли сочетания чисел Стокса и Фруда, при которых течение суспензии с равномерным распределением частиц будет ламинарным. Эти комбинации появляются для чисел Стокса, при которых твердые частицы движутся достаточно независимо от жидкой фазы. «Рассогласование скоростей фаз, — объясняет Александр Осипцов, — может приводить к заметной стабилизации течения и затягиванию ламинарного режима».

При этом течение суспензии с неравномерно распределенными частицами остается турбулентным практически при любых условиях, так как число Рейнольдса остается выше критического. «При наличии неоднородностей концентрации частиц по сечению канала возникает новый тип неустойчивости», — добавляет Александр Осипцов.