Dissert-UsmanovaПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗООЧИСТКИ ГИДРОДИНАМИК. Исследование влияния основных факторов на гидравлическое сопротивление аппарата Исследование влияния жидкой фазы Исследование влияния вращения ротора Выбор оптимального
 Скачать 5.14 Mb.
|
|
ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ И РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ГАЗА В АППАРАТЕ Несмотря на обширный теоретический и экспериментальный материал по исследованию процессов сепарации в аппаратах с закрученными потоками, большая часть наблюдаемых в них явлений не может быть объяснена в рамках сложившихся представлений, а вопрос повышения их эффективности остается нерешенным. Существующие методы расчёта не учитывают сложность общей гидродинамической картины сепарации многофазных потоков, а также взаимодействие этих потоков между собой. Этим обосновывается необходимость в исследованиях основных технологических параметров процесса сепарации в широком диапазоне их значений для создания высокопроизводительных, экономичных и экологически надежных инерционных аппаратов с активной гидродинамикой с последующим прогнозированием их эффективности. В отличии от эксперимента, численное моделирование позволяет варьировать ряд значимых параметров задачи (вязкость, расходные характеристики, скорость вращения, которые оказывают существенное влияние на формирование и поведение закрученных течений. В настоящее время произошли значительные изменения в области математического моделирования, связанные с применением вычислительных технологий и пакетов программ, что дает возможность реализовывать конструктивные решения отдельных узлов аппарата и выявлять оптимальные гидродинамические условия процесса центробежной сепарации уже на стадии проектирования Численное моделирование многофазных течений Аналитический подход большинства исследователей [47,51,102,114] к описанию гидродинамики инерционных аппаратов основывается на системе уравнений Навье-Стокса, дополненных уравнениями неразрывности установившегося осесимметричного закрученного газодисперсного потока. Решение системы уравнений Навье-Стокса математически затруднительно, что обусловливает необходимость принятия целого ряда не совсем корректных допущений, что снижает адекватность предлагаемых аналитических описаний реальной гидродинамической картине в инерционных аппаратах ив конечном итоге, приводит к существенным расхождениям результатов вычислений с опытными данными. В связи с этим физический эксперимент, как отмечается в работе [106], является до сих пор основным способом получения достоверной информации о структуре и характеристиках закрученных потоков. В свою очередь, наиболее существенным недостатком экспериментальных исследований скоростного поля является их невысокая, в большинстве случаев, точность, обусловленная использованием зондовых методов измерений Этим объясняется получение отдельными авторами противоречивых результатов и выводов, что является сдерживающим фактором развития аналитических, обобщающих подходов к описанию гидродинамики газодисперсного потока в газопромывателях. Применение методов численного моделирования является особенно актуальным в задачах механики многофазных течений с исследованием смежных задач аэрогазодинамики. Также необходимо рассматривать статистические подходы для прямого численного моделирования течений газа и задач турбулентности. Наиболее интересна разработка эффективного численного метода решения многомерных чисто гиперболических уравнений, либо уравнений параболического типа, содержащих гиперболические части. Для описания пространственно- нестационарных задач течения многофазных сред применяются такие математические модели. Проблема построения вычислительного алгоритма решения такого типа задач достаточно сложна и, как правило, решается поэтапно Однако в настоящее время принципы рационального численного моделирования позволяют существенно продвинуться в области построения систем, имитирующих такие явления, что дает основу для развития средств моделирования и создания методик расчета течений многофазных сред Принципиально новый подход к решению гидродинамической задачи течения многофазных сред осуществил С.А. Бостанджиян [106], рассмотревший случай однородного двухпараметрического движения газодисперсного потока. Расчеты, проведенные на основе полученных им зависимостей, дали удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными, однако постановка задачи применительно к инерционным аппаратам весьма упрощена, что не дает возможности использования этого метода в технологичсских расчетах аппаратов такого типа. В монографии В.В. Найдснко [145] представлен наиболее полный и подробный анализ основных теоретических подходов к описанию многофазных течений, в том числе и с использованием уравнений Навье-Стокса. Автор рассматривает уравнения винтового движения для случая двухпараметрических винтовых потоков. Решение этих уравнений при реальных граничных условиях позволяет избежать порой непреодолимые математические трудности, которые возникают при интегрировании уравнений Навье-Стокса. Эти решения предлагаются В.В. Найдснко для различных схем работы циклонных аппаратов ив достаточной степени адекватно соответствуют реальным условиям проведения процессов газоочистки. Другим подходом к описанию многофазных течений следует считать применение общих зависимостей, полученных для условий, моделирующих работу инерционных аппараов (например, течение Тэйлора), с включением в эти уравнения коэффициентов, учитывающих реальную конструкцию аппарата. Таким образом, методы численного моделирования являются особенно актуальными в задачах механики многофазных течений с исследованием смежных задач аэрогазодинамики. Также необходимо рассматривать статистические подходы для прямого численного моделирования течений газа и задач турбулентности Моделирование в программном пакете Ansys На первом этапе подготовки исходных параметров ставилась задача создания твердотельной геометрической модели, моделирующей объем с протекающим внутри него исследуемым течением напрямую зависит от качества построенной расчетной сетки, в которой реализуется разбиение расчетной области на множество отдельных ячеек. Типовые ячейки сетки, представленные на рисунке 2.2, как правило, имеют форму многогранников тетраэдров, гексаэдров, призм или пирамид. Грани этих фигур образуют линию расчетной сетки, а расположенные на них точки – узлы расчетной сетки, в которых посредством численного моделирования устанавливаются искомые характеристики течения. Гeксaэдр Пирамидa Призмa Тeтрaэдр Рисунок 2.2 – Формы ячеек конечно-объемной сетки Для решения поставленной задачи в работе использовали прямоугольную, адаптивную, локально измельченную конечно-объемную сетку с размером одной ячейки порядка мм, схема которой представлена на рисунках (рисунки Поскольку элементы проточной части инерционных аппаратов (закручивающие устройства, подводящие патрубки, каплеуловители) часто имеют сложную конфигурацию, создание их геометрической модели достаточно трудоемкое. 3D модель газопромывателя была реализована в пакете твердотельного моделирования Solid рисунок 2.1), а затем импортирована в Ansys Design Modeler. Качество получаемых на основе проведения вычислительного эксперимента результатов Рисунок 2.1 – Геометрическая модель газопромывателя Рисунок 2.3 – Поверхность интерфейса вращающегося завихрителя (расчетная область с конечно-объемной сеткой) Рисунок 2.4 – Поверхность интерфейса динамического газопромывателя (расчетная область с конечно-объемной сеткой) Адаптация первого уровня была выполнена последующим поверхностям коническая асимметричная поверхность корпуса аппарата, стенки тангенциального патрубка ввода газа, входы осевого потока жидкости и периферийного стока шлама. Адаптация второго уровня проведена по поверхностям вращающегося завихрителя, в областях межлопаточных каналов. Расчетные компоненты были заданы из базы данных Ansys CFX: воздух, чистая вода и дисперсная пыль. Программа Ansys CFX не позволяет учитывать силу поверхностного натяжения жидкости и ее взаимодействие с окружающей средой, что исключает возможность смоделировать факел распыла жидкости и оценить его дисперсность. При этом в результате численного эксперимента можно получить значение скоростей газового и жидкого потоков, а также давление в любой точке внутренней полости. Полученные результаты позволяют провести детальное исследование процесса взаимодействия потоков, выбрать наилучшее соотношение размеров газопромывателя и установить диапазон ее работы. Выбор рабочего тела В динамическом газопромывателе в качестве рабочей среды рассматривается вязкий газ с дисперсными частицами, а для орошения использовалась вода вязкостью μ ж =1·10 -3 Па·с и коэффициентом поверхностного натяжения 54 Рисунок 2.3 – Поверхность интерфейса вращающегося завихрителя (расчетная область с конечно-объемной сеткой) Рисунок 2.4 – Поверхность интерфейса динамического газопромывателя (расчетная область с конечно-объемной сеткой) Адаптация первого уровня была выполнена последующим поверхностям коническая асимметричная поверхность корпуса аппарата, стенки тангенциального патрубка ввода газа, входы осевого потока жидкости и периферийного стока шлама. Адаптация второго уровня проведена по поверхностям вращающегося завихрителя, в областях межлопаточных каналов. Расчетные компоненты были заданы из базы данных Ansys CFX: воздух, чистая вода и дисперсная пыль. Программа Ansys CFX не позволяет учитывать силу поверхностного натяжения жидкости и ее взаимодействие с окружающей средой, что исключает возможность смоделировать факел распыла жидкости и оценить его дисперсность. При этом в результате численного эксперимента можно получить значение скоростей газового и жидкого потоков, а также давление в любой точке внутренней полости. Полученные результаты позволяют провести детальное исследование процесса взаимодействия потоков, выбрать наилучшее соотношение размеров газопромывателя и установить диапазон ее работы. Выбор рабочего тела В динамическом газопромывателе в качестве рабочей среды рассматривается вязкий газ с дисперсными частицами, а для орошения использовалась вода вязкостью μ ж =1·10 -3 Па·с и коэффициентом поверхностного натяжения 54 Рисунок 2.3 – Поверхность интерфейса вращающегося завихрителя (расчетная область с конечно-объемной сеткой) Рисунок 2.4 – Поверхность интерфейса динамического газопромывателя (расчетная область с конечно-объемной сеткой) Адаптация первого уровня была выполнена последующим поверхностям коническая асимметричная поверхность корпуса аппарата, стенки тангенциального патрубка ввода газа, входы осевого потока жидкости и периферийного стока шлама. Адаптация второго уровня проведена по поверхностям вращающегося завихрителя, в областях межлопаточных каналов. Расчетные компоненты были заданы из базы данных Ansys CFX: воздух, чистая вода и дисперсная пыль. Программа Ansys CFX не позволяет учитывать силу поверхностного натяжения жидкости и ее взаимодействие с окружающей средой, что исключает возможность смоделировать факел распыла жидкости и оценить его дисперсность. При этом в результате численного эксперимента можно получить значение скоростей газового и жидкого потоков, а также давление в любой точке внутренней полости. Полученные результаты позволяют провести детальное исследование процесса взаимодействия потоков, выбрать наилучшее соотношение размеров газопромывателя и установить диапазон ее работы. Выбор рабочего тела В динамическом газопромывателе в качестве рабочей среды рассматривается вязкий газ с дисперсными частицами, а для орошения использовалась вода вязкостью μ ж =1·10 -3 Па·с и коэффициентом поверхностного натяжения 55 σ= 72,5·10 нм запыленный газ с г 1,291 плотность пыльного газа, кг/м 3 ; μ г = 0,0000189 – вязкость газа, Пас ν – кинематическая вязкость газа, 15,56·10 мс для пыли порошка талька (ρ=2600 кг/м 3 ) диаметром d = 1÷100 мкм, движущейся в воздушном потоке (V = 5,1÷35·10 -6 м 2 /с). В качестве начальных условий для расчета задается величина внешнего давления и температура окружающей среды. Величина внешнего (окружающего) давления составляет 1 атм., температура окружающего воздуха 25 С. Полагается, что на боковых стенках выполняется условие прилипания U wall = На верхней границе ив области стока задаются значения скорости u k u j u i u U swirl radial 1 axial swirl radial axial inlet 0 u ; 0 u ; u u k u j u i u U swirl radial 2 axial swirl radial axial Исследуемые задачи решаются в осесимметричной постановке (не учитывается зависимость от азимутальной координаты φ, течение жидкости предполагается турбулентными описывается системой управляющих уравнений в размерной формулировке. Выбор математической модели. Движение газа в аппарате описывается математической моделью, основанной на решении уравнений Навье-Стокса (для осесимметричного потока) и уравнения неразрывности (2.3). z P z r z r r r r r z r r r r r z r z r r r r r z r r r r r r P z r z r r r r r z r r r z T z T z z z r r T T T z r r T r T r T z r r r 1 1 1 1 1 1 2 где υ z , υ r , υ φ – осевая, радиальная и тангенциальная компоненты скорости; Р, ρ, μ Т – давление, плотность и турбулентная вязкость потока ύ – вектор скорости. Для описания турбулентного течения использовалась двух- параметрическая модель турбулентности к, для которой решались два дополнительных уравнения переноса, определяющих к – турбулентную кинетическую энергию газовой фазы и ε – скорость диссипации турбулентной энергии. При этом полагалось, что турбулентная вязкость изотропна, а ее коэффициент μ Т определяли согласно формулы Колмагорова-Прандтля как функцию параметров турбулентной энергии кинетической энергии газовой фазы и скорости ее диссипации. , 2 k C Т (2.4) В результате расчетов было установлено резкое изменение параметров k и вблизи твердой стенки, которое может быть компенсировано путем использования густой расчетной сетки. С этой целью в программе Ansys предусмотрены масштабируемые пристеночные функции для расчета близких к стенке узлов. Алгоритм численного решения уравнений математической модели Алгоритм, реализованный в Ansys CFX, позволяет вполнять численное решение уравнений (2.2) и (2.3) непоследовательно, а совместно в диапазоне одной глобальной итерации. При этом происходит многократное увеличение размеров матрицы СЛАУ, усложнение ее структуры и алгоритма решения уравнений и, соответственно, увеличение времени расчетов для одной глобальной итераций. Однако, такой подход наиболее обоснован, так как приводит к существенному увеличению скорости сходимости алгоритма. Для достижения сходимости, в целом, требуется меньшее количество глобальных итераций. Постановка граничных условий При задании граничных условий указываются условия задачи на выходе и входе в проточную часть расчетного объема. В качестве граничных условий, задавалось: условие прилипания на стенках (скорость и градиент температуры на стенках равны нулю распределение дисперсных частиц во входном сечении принималось равномерным задавалось распределение всех компонент скорости во входном сечении на входной поверхности задавася суммарный расход по массе, а на выходной поверхности ставилось условие по давлению. Учитывалось, что на границах с поверхностью тангенциальная скорость газа уменьшается и принимает нулевое значение на поверхности, а действующие на мелкие частицы центробежные силы снижаются и приобретают нулевое значение у самой стенки. Вблизи твердой стенки частицы Рисунок 2. 5 – Схема к расчету граничных условий под воздействием турбулентных пульсаций отходят от стенки, затем центробежными силами снова отбрасываются к стенкам. На границах поток твердая стенка отсутствует перенос частиц, находящихся в динамическом равновесии, а суммарный поток частиц под действием центробежной силы и диффузии должен быть равен нулю. По оси газопромывателя, вследствие осесимметрчности потока, принималась равной нулю производная по радиусу течения от концентрации частиц. В расчетной сетке твердую стенку представляют границы Г, Г, Г, Г 5 (рисунок 2.5). Так как линии Г Г, и Г Г 4 являются линиями тока, тона этих стенках функция тока ψ может принимать любое постоянное значение. По характеру течения для Г, Г 5 функция тока ψ = 0; для Г, Г 3 / функция тока ψ = Границы Г 4 и Г 6 представляют выходное сечение или проницаемую стенку. Если на Г, Г, Г 8 выполняется условие прилипания 0 r z то на Г 4 и Г 6 изменение скорости можно задать некоторой функцией f(r) Тогда D вых r r dr r r d ) ( max 0 (2.5) Особенно важно определить значение вихря на стенке. На примере твердой стенки Г 3 рассмотрим вывод граничного условия первого порядка точности для вихря ω. В окрестности точки разложим функцию ψ вряд Тейлора: 57 во входном сечении на входной поверхности задавася суммарный расход по массе, а на выходной поверхности ставилось условие по давлению. Учитывалось, что на границах с поверхностью тангенциальная скорость газа уменьшается и принимает нулевое значение на поверхности, а действующие на мелкие частицы центробежные силы снижаются и приобретают нулевое значение у самой стенки. Вблизи твердой стенки частицы Рисунок 2. 5 – Схема к расчету граничных условий под воздействием турбулентных пульсаций отходят от стенки, затем центробежными силами снова отбрасываются к стенкам. На границах поток твердая стенка отсутствует перенос частиц, находящихся в динамическом равновесии, а суммарный поток частиц под действием центробежной силы и диффузии должен быть равен нулю. По оси газопромывателя, вследствие осесимметрчности потока, принималась равной нулю производная по радиусу течения от концентрации частиц. В расчетной сетке твердую стенку представляют границы Г, Г, Г, Г 5 (рисунок 2.5). Так как линии Г Г, и Г Г 4 являются линиями тока, тона этих стенках функция тока ψ может принимать любое постоянное значение. По характеру течения для Г, Г 5 функция тока ψ = 0; для Г, Г 3 |