Выброс промышленных и бытовых сточных вод в открытые водоемы является негативным фактором, приводящим к ухудшению их состояния. Проблемы загрязнения водоемов вызывают, в свою очередь, негативные последствия для экологии и окружающей среды. Масштабы загрязнения уже превысили существующие нормы и границы, обусловленные способностью водоемов к самоочищению. Вследствие этого значительно увеличилась концентрация общего содержания органических веществ и других токсичных компонентов. Актуальность проблематики загрязнения поверхностных водоемов сточными водами связана со сложностями в процессе водоподготовки для питьевого и промышленного водоснабжения и дороговизной этого процесса. Существует необходимость применения энергосберегающих технологий и аппаратов в области очистки сточных вод, которые не требуют существенных затрат при реконструкции очистных сооружений и позволяют значительно улучшить процессы механической и биологической очистки сточных вод. Таким образом, разработка высокоэффективных и экономичных технологий , используемыхв канализационных очистных сооружениях сама по себе является весьма актуальной проблемой, но в её составе выделим проблему удаления мелких абразивных частиц, приводящих помимо прочего к абразивному износу оборудования, дополнительным ремонтным работам и т.п.. С этой целью при большой разнице в плотностях взвеси rт и жидкости rж часто используют для их разделения центробежные поля (далее полагаем, что 
). Весьма эффективными, малогабаритными аппаратами считаются гидроциклоны [1]. Они имеют коническую форму (рис. 1а). Смесь вводится с большой скоростью через патрубок 3 в гидроциклон по касательной (то есть тантенциально ) Это приводит к закрутке потока и развитию мощного поля центробежных сил. Поток имеет возможность покинуть гидроциклон через два отверстия, – нижнее –5 и и верхнее – 4 и 1. В результате в гидроциклоне развивается сложное течение, состоящее из двух вихрей, вращающихся в одну и ту же сторону. В месте впуска потока корпусу гидроциклона часто придают цилиндрическую форму – 2. Из-за наличия осевых скоростей движения к верхнему и нижнему отверстиям, течения во внешнем и внутреннем вихрях имеют спиралевидную форму (рис. 1 б). Обычно напряжённость центргбежного поля такова, что оно приводит к нарушению сплошности жидкости и образованию в приосевой зоне гидроциклона воздушного столба (с тем же направлением вращения). Вращательное движение сохраняется в гидроциклоне на всём его протяжении, что легко установить визуально из – за конусообразного разбрызгивания части потока, насыщенной взвесью, при выходе его из песковогонасадка (рис. 2). Твёрдые частицы в таком потоке под действием центробежных сил мигрируют к стенке гидроциклона. По самой стенке они перемещаются в осевом направлении под влиянием компонент центробежной силы и силы тяжести, параллельных образующей конической поверхности. Поскольку осевые скорости в направлении пескового отверстия малы, то центробежные силы, действующие на частицы, почти нормальны оси гидроциклона. Примем их (для простоты) в первом приближении направленными к оси гидроциклона по нормали Тогда на частицу, достигнувшую стенку, будут действовать силы (рис. 3).
Рис.1: а – конструкция гидроциклона; б – схема движения смеси в гидроциклоне
Рис. 2. Выходное отверстие
– центробежная
,
где m – масса частицы с учётом действия архимедовых сил; u – скорость частицы; r – радиус сечения гидроциклона;
– сила тяжести G = mg.
Частица будет двигаться в направлении образующей конической части гидроциклона под действием суммы проекций на это направление указанных сил (рис. 3 в). Она равна
. (1)
За положительное направление здесь выбрано направление к песковому отверстию. Из приведённой схемы с очевидностью следует вывод, что для продвижения частицы к песковому от верстию, необходимо выполнение условия
Рис. 3. Схема сил, действующих на тяжелую частицу: а – у боковой стенки гидроциклона; б – компоненты центробежной силы; в – суммарная сила, действующая на частицу
R > 0 или 
или 
. Отсюда
, (2)
где 
– число Фруда.
Итак, установлено, что для того чтобы тяжёлые частицы двигались к выходному отверстию в существующих конструкциях конических гидроциклонов, необходимо, чтобы угол конусности удовлетворял условию:
. (3)
Например, если U=10 м/c. u = 5 м/с; r=0,1 м; g=9,81 м/с2, то получится, что, a @ 2°, то есть, угол конусности должен быть менее 2°. Изложенное в известной мере подтверждается формой конструкций выпускаемых промышленностью гидроциклонов. Примером может служить гидроциклон ГЦ – 170 (рис. 4).
Рис. 4. Гидроциклон ГЦ – 170
Проанализируем изложенное несколько подробнее. Так как центробежная сила направлена по главной нормали к траектории в сторону её выпуклости, рассмотрим вид развёртки спиралеобразной траектории движения частицы по поверхности конической части гидроциклона. Её гипотетический вид представлен на рис. 5. Выпуклость развёртки этой кривой направлена вверх , так как осевая компонента скорости возрастает в сторну пескового отверстия из – за сужения сечения конуса, Это означает, что в данном случае указанный факт приводит к усугублению сделанного вывода.
Рис. 5. Схема развёртки поверхности конической части гидроциклона
Конечно, реальное движение взвешенной частицы в гидроциклоне будет во многом отличаться от рассмотренной схемы из-за влияния турбулентности потока, из – за соотношения размеров частицы и толщины пограничного слоя, концентрации взвеси и других осложняющих факторов. Но это не может помешать сделать заключение о неправильном подходе к конструктивному оформлению существующих конструкций конической части гидроциклонов из-за неэффективности использования в них главной действующей центробежной силы. Вопреки существующему мнению её целесообразно делать не сужающейся, а, наоборот, – расширяющейся. В этом случае компонента центробежной силы направленнная по образующей конуса будет складываться с компонентой силы тяжести и не тормозить частицу, а способствовать продвижению её к выходу (рис. 6).
Рис. 6. Схема сил, действующих на частицу в расширяющемся гидроциклоне
Выводы
1. Для повышения эффективности гидроциклонов поверхность их конической части целесообразно делать расширяющейся.
2. Это положение полностью расходится с практикой производства гидроциклонов, но представляется трудноопровержимым.