VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Различные технологические процессы, связанные с дроблением, транспортировкой, перемешиванием и перегрузкой сыпучих материалов сопровождаются значительным пылевыделением. Пыль характеризуются высокой дисперсностью, и является основным вредным фактором, вызывающим профзаболевания. Основой комплекса систем, направленных на обеспечение нормальных условий по пылевому фактору, является местная вытяжная вентиляция (аспирация). Однако как показали исследования, проведённые на ряде предприятий стройиндустрии, системы аспирации, в большинстве случаев, работают неэффективно. Причиной этого в большинстве случаев  является применение неэффективных аспирационных укрытий и ошибки допущение при проектировании. Поэтому разработка новых конструкций укрытий и методов их расчёта является весьма актуальной задачей.

Решение этой задачи сегодня возможно с использованием методов математического моделирования. Это позволит за счёт моделирования движения двухфазных потоков в аспирационном укрытии совершенствовать его конструктивные элементы, определяющие его работу в качестве первой ступени очистки газов.

При моделировании движения дискретной частицы в газовом потоке необходимо принять следующие допущения:

1. В аспирационном укрытии движется двухфазный поток, содержащий очищаемый газ и полидисперсную пыль. Рассмотрение систем аспирации показало, что режим их работы характеризуется небольшими  значениями массовой концентрации пыли : для систем аспирации  < 0,5 [1]. Поэтому допустимо применять принцип декомпозиции при моделировании движения частицы, определяя поле скоростей газа и помещая в него твёрдую частицу.

2. Считать, что частицы остаются твёрдыми телами и не меняют во времени сферическую форму и диаметр, т.е. не происходит не их дробления, ни их коагуляции.

3. Поверхность частиц считают гладкой. Вычислительный эксперимент показал, что обтекание частицы в аспирационных укрытиях характерно при Re<300 для частиц с <400 мкм. Исследования движения сферических частиц в этих условиях [2] показывают, что небольшая шероховатость частиц мало влияет на коэффициент сопротивления.

4. Пренебрегают поперечной подъемной силой и вращательным движением твёрдых частиц, которые имеют значение только при ударах частиц и изменяет значение С не более чем на 10%. В связи с этим слагаемое Р_пр в формуле (3) не учитывается.

5. Считают течение газа установившемся, т.е. без изменения скорости потока со временем в любой точке.

При построении и анализе траектории движения частицы в газовом потоке надо решить уравнения её движения.

При изучении движения твёрдой частицы основным является дифференциальное уравнение движения её центра массы:

(1)

 где m- масса твердой частицы; v- вектор абсолютной скорости частицы; ΣP-сумма векторов сил, действующих на частицу.

Принимая в расчётах массу сферической частицы:

(2)

где - седиментационный диаметр частицы; - плотность частицы.

В общем случае сумма сил, действующих на частицу (см. рис. 1):

(3)

где P_a- сила аэродинамического сопротивления движению частицы в газовом потоке; P_G+P_A - равнодействующая силы тяжести и архимедовой силы; P_p- сила действующая на частицу при нахождении её в неравномерном поле давлений (сила Сафмена); P_пр- равнодействующая прочих сил.

 

Рис. 1. Силы, действующие на частицу пыли в аспирационном укрытии.

Сила аэродинамического сопротивления для сферической частицы считается направленной против скорости w её движения относительно газа.

Обычно выражение для силы сопротивления среды записывают следующим образом:

(4)

где - коэффициент сопротивления, - площадь миделева сечения, - плотность газа.

Тогда для сферической частицы:

(5)

 

 где w - относительная скорость движения частицы относительно газа, v и u - абсолютные скорости частицы и газа при обтекании частицы.

При реальных относительных скоростях движения частиц, когда сжимаемостью газа можно пренебречь, коэффициент сопротивления  непостоянен и зависит от числа Рейнольдса.

(6)

где - кинематическая вязкость газа.

Полученная на основании экспериментальных данных зависимость коэффициента сопротивления от Re удовлетворительно аппроксимируется ломаной линией, на каждом из участков которой [4]:

(7)

где A и n- постоянные.

Начальные условия наиболее неблагоприятные для осаждения частиц будут в точке А, которую и принимаем за начальную точку движения рассматриваемой частицы (см. рис.2).

Для определения силового воздействия частицы с потоком газа необходимо знать поле скоростей газа в укрытии. Поэтому ещё одним исходным элементом при моделировании движения частиц в аспирационном укрытии является расчёт скоростей движения газа.

Получение полей скоростей газа в укрытии, рассматривая плоскую задачу, возможно при применении метода граничных интегральных уравнений (метод ГИУ), который был применён К.И. Логачёвым [3]. Данный метод является наиболее простым в численной реализации, позволяет снизить размерность задачи.

Компьютерная реализация этого метода осуществлена в комплексе программ «Спектр». Недостатками данной программы является возможность рассмотрения только лишь плоской задачи, без учёта вихреобразования.

Нами был произведен ряд численных экспериментов при помощи вышеуказанного программного комплекса, направленный на изучение аэродинамических процессов в укрытиях различного типа. В результате были получены линии тока, траектории движения пылевых частиц различных диаметров. К примеру, результаты численного эксперимента сравнивались с максимальным диаметром частицы пыли, выносимой из аспирационного укрытия без жёсткой перегородки d _max [1]. Расхождение между значениями составляло12- 15%. Это объясняется  тем, что при моделировании не учитывались неплотности вдоль ленты конвейера, которые значительно влияют на увеличение значения d _max.

В целом же, данные, полученные в результате численного эксперимента, совпадают с данными результатов промышленных экспериментов проведенных В.А.Минко [1]. Ниже приведены графические результаты эксперимента, подтверждающие зависимость максимального диаметра частицы выносимой в аспирационную воронку от длины укрытия [1](рис 2).

а) б)

Рис 2. Траектории движения пылевых частиц в аспирационном укрытии диаметрами 50, 89 и 100 мкм (d_max=89 мкм) а) c длиной укрытия L, м; б) c длиной укрытия (L+0,2), м.

 

Анализируя проведённый численный эксперимента можно сделать следующие выводы:

1. Рассмотрение процессов, происходящих в аспирационном укрытии показало необходимость учёта подсосов при моделировании движения частиц пыли в укрытии.

2. Результаты численных экспериментов позволяют прогнозировать значения d_max в различных укрытиях, при отсутствии в них поперечных течений. Это необходимо при подборе оптимальной конструкции аспирационного укрытия, уточнения дисперсного состава пыли в аспирационной воронке и подборе пылеуловителя

Список литературы

1.              Минко В.А., Обеспыливание технологических процессов производства строительных материалов. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1981.-176с.

2.              Двухфазные моно- и полидисперсные течения газа с частицами. / Под ред. Стернина Л.Е.. М.: Машиностроение, 1980.-172с.

3.              Логачёв И.Н., Логачёв К.И.: Аэродинамические основы аспирации. Санкт-Петербург: Химиздат, 2005.-659с.

4.              Буссройд Р.: Течение газа со взвешенными частицами. М.: Мир, 1975.-373с.

5.              Семиненко А.С. Учет влияния градиента давления в интегральной модели описания присоединенных струй / Семиненко А.С., Малахов Д.Ю., Попов Е.Н., Алифанова А.И. // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8-1. С. 52-54.

Код для цитирования: Скопировать