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.
|
|
/ 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 / 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 58 ) ( 0 6 1 2 1 4 3 3 3 2 2 Но, так как Подставляя dψ/dr, в (2.13) и решая его относительно где компонента ω i,j, характеризует движение частиц относительно оси по окружностям (т.н. кольцевой вихрь, с учетом ψ i,j =0, находим 2 2 1 , r r r i Г (2.7) Независимо от значения функции ψ и от ориентации стенки на ее границах можно записать 2 2 1 n n r Г Г Г (2.8) где Δn – расстояние от ближайшего узла по нормали к стенке. Для получения условия второго порядка точности продифференцируем выражение, определяющее вихрь ω: r r r r r r r z r r z r r z r p 3 2 2 2 3 3 2 2 2 1 1 Из уравнения неразрывности z r r z r z r r r z r 0 ; Если представить стенку как плоскую пластинку ртов силу условия прилипания. Отсюда следует, что 1 3 3 3 3 ; 1 Подставим 3 2 в выражение (Получим 1 ) ( 2 Или принимая, что = △r, а точка с индексами i, j является граничной, имеем 3 1 2 1 Г Г Г Г n r (2.9) Если ряд Тейлора для функции ψ продолжить до членов четвертого порядка, то учитывая, что р, и dψ/dr =0 r 3 24 r r r 24 r r 2 6 1 r r r 6 1 r 2 1 r , i 1 , i 2 2 2 Формула для вихря на твердой границе примет вид 2 1 24 5 3 8 6 24 5 3 r Г Г Г r r r r r r n (2.10) В [101] предложено записывать формулу (2.17) как 2 1 Г Г q q (2.11) Граница Г 7 представляет собой ось симметрии. Для Г 7 имеем υ r , υ φ =0 поэтому (dυ r /dz)=0. Расходная скорость симметрична относительно оси, откуда ω г =0. Условия на входом патрубке Г 2 нельзя записать однозначно. Они будут меняться в зависимости от физической картины течения в исследуемой области. Первый подход к постановке граничных условий на входе полностью задать значения ψ и ω. Например, Г ω=0 (принять допущение о потенциальном характере течения зная величину расхода: вх r rl Q можно определить среднее значение радиальной скорости 60 вх r ср r ; и задать линейную зависимость для функции тока где z – текущая координата ввода частиц l – ширина входного патрубка. На динамику течения наибольшее влияние оказывает профиль входной скорости, чем закон изменения функции тока, из которого определяется величина скорости. Автор [101] в качестве условия на входной границе задавали равномерный поток υ=const, в других источниках [78] рассматриваются профили Блазиуса или Пуазейля. Для правильной постановки условий на входе необходимо путем проведения численного эксперимента оценить влияние того или иного профиля скорости на характер течения. Тогда величина г находится по значению dυ r /dz по уравнению 1 2 2 2 2 z r I z r I z Г Г Г Г r Г (2.14) На выходной границе Г 4 наиболее надежным способом задания краевых условий является полная определенность значений ψ, ω, υ. Для скоростей здесь также могут быть предложены равномерный или параболический профили, для вихря – потенциальный сток ω=0. В некоторых задачах при течениях в каналах различной конфигурации применяется постановка мягких граничных условий 0 z , 0 z 1 Г Г , 1 Г Г (2.15) 0 z z r , 0 Эти условия имеют второй порядок точности. На вершине угла выхлопного патрубка выполняется условие прилипания, это конечная точка твердой стенки, υ z, υ r, υ φ, ψ=0. Для определения ω в этой точке можно воспользоваться формулой (2.15): , 2 2 n r Га a Г 61 ; 1 cos 2 2 2 где β – угол наклона конической части аппарата. Для модели было проведено интегрирование методом Рунге-Кутта в окрестности каждого узла конечно-разностной сетки, которой покрыто все пространство газопромывателя. Каждый узел сетки определяется значениями проекций скорости потока радиальной υ r , тангенциальной υ φ , осевой Переходы между узлами выполняются скачкообразно путем замены одного значения скорости другим или нахождением промежуточных значений между узлами с помощью интерполяции. При такой постановке краевой задачи условие прилипания реализовывалось на каждом временном шаге и, аналогично условиям для функций ψ и ω, ставилось на разных границах. Это объясняется тем, что использование условий прилипания на одной и той же границе изменяет задачу моделирования, и при ее численном решении может произойти снижение точности. По результатам вычислений строились картины линий тока и профили скорости в различных сечениях потока. Довольно ограниченное практическое применение инерционных аппаратов ротационного типа, в отличие от циклонов, объясняется не только некоторой усложненностью конструкции этих аппаратов, но и недостаточной изученностью гидродинамических характеристики технологических режимов их работы. Проведенное исследование их сепарирующей способности показало, что существуют определенные и весьма широкие области, обусловленные конструктивными и режимными факторами, а также свойствами разделяемых суспензий, в которых проявляются очевидные преимущества аппаратов такого типа по сравнению с обычными цилиндро- коническими циклонами при сопоставимых удельных энергетических затратах. Основные показатели газоочистки в динамическом газопромывателе, как ив циклоне, в первую очередь зависит от гидродинамической обстановки в этом аппарате, в частности от значений тангенциальной скорости газодисперсного потока, определяющей в основном причину фактора сепарации 62 2.3 Визуализация результатов расчета и их анализ Расчет гидродинамической картины течения в АС осуществляется до достижения заданного критерия сходимости. Визуализировалась динамика изменения картины течения при сохранении координат для всех узлов в расчетной сетке, а также значения ключевых параметров течений в этих узлах. Были получены интегральные параметры расчета, типичные для пылеуловителей: гидравлическое сопротивление, потребляемая мощность, эффективность очистки, закрутка потока. В результате численного эксперимента были получены распределения статического давления газового потока во всех сечениях расчетного пространства, что позволило оценить гидравлическое сопротивление аппарата. Распределение статического давления представлено в виде заливки по значениям на рисунках Рисунок 2. 6 – Статическая составляющая давления: поперечное сечение Рисунок 2. 7 – Статическая составляющая давления: поперечное сечение Рисунок 2. 8 – Статическая составляющая давления: поперечное сечение Установлено, что в отрывных зонах наблюдается значительное снижение давления как по сравнению с основным потоком, таки в зоне лопастей завихрителя. Неравномерность статических составляющих давлений в газопромывателе оказывает снижающее действие на эффективность очистки. При сопоставлении с опытными данными по степени очистки выявлено, что снижение эффективности сепарации не превышает 3%, хотя по уровню неравномерности поля давлений разница более значительная. Это можно объяснить тем, что неравномерность давления компенсируется положительным влиянием отрывных зон, способствующих сепарации мелких примесей из основного течения в зону разрежения и выносу их по спиралевидной траектории из рабочего пространства, а далее по стенкам конической части аппарата в шламосборник. По высоте аппарата сохраняется достаточно высокая энергия турбулентных пульсаций, это увеличивает дисперсию частиц в потоке и повышает эффективности сепарации. Полное давление газодисперсного потока в корпусе аппарата суммируется как избыточное и динамическое, без учета атмосферного, и возрастает к периферии. На выходных патрубках давление падает до атмосферного (рисунок 2.9). В результате численного эксперимента получено распределение осевой и тангенциальной скорости в продольном сечении рабочего пространства аппарата. Рисунок 2. 9 – Статическая составляющая давления: (продольное сечение) Наличие лопастного завихрителя в центральной части аппарата значительно усложняет картину течения газодисперсного потока в газопромывателе. Исследование распределения осаждаемых частиц в газопромывателе показало, что вследствие турбулентной диффузии концентрация частицу стенок аппарата осуществляется неплотным кольцом, а в виде разрыхленного сконцентрированного газодисперсного слоя. При этом частицы на стенках не образуют осыпающийся слой, а локализуются в кольцевом пристенном слое определенной толщины и формируют спиральные пылевые скопления в форме жгутов. Лопастной завихритель, при прохождении через лопатки которого происходит концентрирование частиц пыли у периферийной зоны лопаток, служит инициатором образования спиральных пылевых жгутов. Это приводит к разделению однородного потока за лопастным завихрителем наряд параллельных потоков с чередованием обедненной и обогащенной концентраций пыли. На плотность и толщину пристенного слоя оказывают влияние скорость газа, угол закрутки завихрителя, характер ввода потока в аппарат. Высокие скорости газодисперсного потока приводят к снижению толщины пристенного слоя, несмотря на усиление при этом величины турбулентной дифузии. Центр тяжести вращающегося потока отклоняется от геометрической оси аппарата, те. возникает незначительный эксцентриситет, не превышающий 8÷10% от радиуса аппарата. Возникновение подобного эксцентриситета в закрученном потоке отмечено также исследователями [74, Учитывая, что величина эксцентриситета невелика для исследуемого аппарата, а в его центральной части расположен оросительный патрубок, будем считать течение газа симметричным относительно оси аппарата. Составляющая тангенциальной скорости существенно меняется по радиусу газопромывателя, что свидетельствует о наличии дифференциального вращения, в результате которого вихревые линии закручиваются по спирали, как показано в работе. Для тангенциальной скорости характерен дрейф максимума от периферии к центру и сокращение зоны вынужденного вихря. Тангенциальная скорость значительно больше осевой в пристенной и квазипотенциальной зонах, а в области оси практически одного с ней порядка. Осевая составляющая практически не меняет своего профиля, ее максимум находится вблизи стенки аппарата. Результаты моделирования, представленные на рисунках 2.10, показывают, что скорости равномерно распределены по окружности, рассмотрим распределение осевой, тангенциальной и радиальной компонент скорости в виде линий тока, проходящих вдоль сечения аппарата. а) б) в) Рисунок 2.10 – Проекции тангенциальных (а, радиальных (б) и осевых (в) скоростей в потоке Из рисунка 2.10 видно, что радиальная скорость (рисунок 2.10, б) устойчиво сохраняет свое значение по всему поперечному сечению рабочего пространства, осевая скорость (рисунок 2.10, в) постепенно снижается от центра к периферии, тогда как тангенциальная, напротив, возрастает (рисунок 2.10, а). Полученные результаты согласуется с литературными данными, и говорят о взаимодействии в аппарате двух потоков – поступательного и вращательного. Рисунок 2.11 – Проекции тангенциальных, осевых и радиальных скоростей вдоль аппарата в сечениях Х = 0,25; 0,312; 0,4; 0,65; 0,95; 1,5; 2,2 при значениях параметров: V г / V вх = 0,05; в V вх = 1,8; Re = Значение тангенциальной скорости, на порядок превышающее осевую и на два порядка - радиальную составляющие суммарной скорости потока [75, 134. 135, 189] и оказывающие превалирующее влияние на процесс центробежной сепарации, в цилиндрической части аппарата (при Х/R = 0,25; 0,312; 0,4; 0,65; изменяются в соответствии с уравнением (2.9). Но определение локальных значений и распределение этой скорости в объеме аппарата ниже вращающегося завихрителя требует проведения специального экспериментального исследования. Величина тангенциальной скорости, полученная численным решением, качественно согласуется с экспериментальными данными других исследователей Профиль тангенциальной скорости имеет форму параболы с максимумом, расположенным ближе к цилиндрической стенке, что можно объяснить действием центробежных сил. Значения скоростей потока в осевом направлении показывают, что центре потока она имеет фактически постоянное значение, а вблизи выхлопного патрубка образуется достаточно интенсивное течение в пристенном слое. Анализ полученных профилей скоростей позволяет выявить три характерные области по оси аппарата область формирования газового потока, область стабильного потока и область демпфирования. Рисунок 2.12 – Проекции тангенциальных, осевых и радиальных скоростей вдоль аппарата в сечениях Х = 0,25; 0,312; 0,4; 0,65; 0,95; 1,5; 2,2 при значениях параметров: V г / V вх =0,05;V φ / V вх =1,8;Re = Впервой области составляющие скорости нестабильны, происходит их формирование. В стабильной области профили скорости подобны по высоте аппарата. Практически во всех сечениях можно выделить две зоны пристенную (зону свободного вихря) и приосевую (зону вынужденного вихря. Для тангенциальной скорости характерен дрейф максимума от периферии к центру и сокращение зоны вынужденного вихря. Тангенциальная скорость значительно больше осевой в пристенной и квазипотенциальной зонах, а в области оси практически одного с ней порядка. Осевая составляющая практически не меняет своего профиля, ее максимум находится вблизи стенки аппарата. Рисунок 2.13 – Проекции тангенциальных, осевых и радиальных скоростей вдоль аппарата в сечениях Х = 0,25; 0,312; 0,4; 0,65; 0,95; 1,5; 2,2 при значениях параметров: V г / V вх = 0,05;V φ / V вх = 1,8;Re = Рисунок 2.14 – Проекции тангенциальных, осевых и радиальных скоростей вдоль аппарата в сечениях Х = 0,25; 0,312; 0,4; 0,65; 0,95; 1,5; 2,2 при значениях параметров: V г / V вх = 0,01;V φ / V вх = 1,8; Re = 5·10 4 Рисунок 2.15 – Проекции тангенциальных, осевых и радиальных скоростей вдоль аппарата в сечениях Х = 0,25; 0,312; 0,4; 0,65; 0,95; 1,5; 2,2 при значениях параметров: V г / V вх = 0,04;V φ / V вх = 0,1; Re = Рисунок 2.16 – Проекции тангенциальных, осевых и радиальных скоростей вдоль аппарата в сечениях Х = 0,25; 0,312; 0,4; 0,65; 0,95; 1,5; 2,2 при значениях параметров: V г / V вх = 0,05;V φ / V вх = 1,8; Re = 1·10 1 Рисунок 2.17 – Проекции тангенциальных, осевых и радиальных скоростей вдоль аппарата в сечениях Х = 0,25; 0,312; 0,4; 0,65; 0,95; 1,5; 2,2 при значениях параметров: V г / V вх = 0,05;V φ / V вх = 1,8; Re = Рисунок 2.18 – Проекции тангенциальных, осевых и радиальных скоростей вдоль аппарата в сечениях Х = 0,25; 0,312; 0,4; 0,65; 0,95; 1,5; 2,2 при значениях параметров: V г / V вх = 0,05;V φ / V вх = 1,8; Re = 3·10 1 Рисунок 2.19 – Проекции тангенциальных, осевых и радиальных скоростей вдоль аппарата в сечениях Х = 0,25; 0,312; 0,4; 0,65; 0,95; 1,5; 2,2 при значениях параметров: V г / V вх = 0,05; V φ / V вх = 1,8; Re = Рисунок 2.20 – Проекции тангенциальных, осевых и радиальных скоростей вдоль аппарата в сечениях Х = 0,25; 0,312; 0,4; 0,65; 0,95; 1,5; 2,2 при значениях параметров: V г / V вх =0,04;V φ / V вх =0,6; Re=5·10 3 В области входа газового потока в приосевой зоне наблюдается снижение всех скоростей по величине, однако, зоны обратных токов, характерных закрученным потокам, согласно литературным источникам, не наблюдается. Это объясняется наличием центрального оросителя и оптимизированным соотношением высоты и ширины тангенциального ввода. Конический завихритель оказывает демпфирующее действие на газодисперсный поток, происходит трансформация скоростей. В области выхлопного патрубка тангенциальная скорость незначительно снижается, что объясняется раскруткой потока. Входе эксперимента подтверждена автомодельность газового потока при различных расходах газа и числах Рейнольдса Re=(1,5÷6,0)∙10 Установлено, что профили скоростей не зависят от расхода жидкой и газовой фаз и определяются в основном степенью закрутки потока. В области между стенкой аппарата и завихрителем (зоне сепарации) значения по радиусу коси могут как увеличиваться, таки уменьшаться (рисунок 2.2.15, 2.19), а также оставаться практически неизменными (рисунок 2.16-2.18). Различный ход кривых профиля объясняется неравномерностью распределения потока в радиальном направлении, на которую оказывают влияние место отвода газа и размеры отверстий выходного патрубка. На основном участке сепарации в зоне у стенки величины имеют одни и тс же, практически постоянные значения как при работе с вращающимся завихрителем, таки со стационарным. В центральной части аппарата при вращении завихрителя снижение значений тангенциальной составляющей скорости происходит более равномерно. Анализ приведенных кривых (рисунок) позволяет сделать вывод о том, что за участком стабилизации потока (длиной Хот радиуса аппарата, значения на произвольном радиусе, при остальных равных условиях, практически не изменяются. Исключение составляет область, расположенная в непосредственной близости к завихрителю, которая не оказывает существенного влияния на эффективность процесса газоочистки Рисунок 2.21 – Изолинии тока при г V вх = 0,01; V φ / V вх = 1,8. Влияние числа Рейнольдса на структуру закрученного потока: а – Re = 1·10 1 ; б – Re = 1·10 2 ; в – Re = Рисунок 2.22 – Изолинии тока при г V вх = 0,01; V φ / V вх = 1,8. Влияние числа Рейнольдса на структуру закрученного потока: а – Re = 3·10 3 ; б – Re = 4·10 3 ; в – Re = Рисунок 2.21 – Изолинии тока при г V вх = 0,01; V φ / V вх = 1,8. Влияние числа Рейнольдса на структуру закрученного потока: а – Re = 1·10 1 ; б – Re = 1·10 2 ; в – Re = Рисунок 2.22 – Изолинии тока при г V вх = 0,01; V φ / V вх = 1,8. Влияние числа Рейнольдса на структуру закрученного потока: а – Re = 3·10 3 ; б – Re = 4·10 3 ; в – Re = Рисунок 2.21 – Изолинии тока при г V вх = 0,01; V φ / V вх = 1,8. Влияние числа Рейнольдса на структуру закрученного потока: а – Re = 1·10 1 ; б – Re = 1·10 2 ; в – Re = Рисунок 2.22 – Изолинии тока при г V вх = 0,01; V φ / V вх = 1,8. Влияние числа Рейнольдса на структуру закрученного потока: а – Re = 3·10 3 ; б – Re = 4·10 3 ; в – Re = 1·10 4 Рисунок 2.23 – Изолинии тока при г V вх = 0,01; V φ / V вх = 1,8. Влияние числа Рейнольдса на структуру закрученного потока: а – Re = 5·10 4 ; б – Re = 6·10 4 ; в – Re = Сравнение результатов расчета в Ansys CFX с результатами |