CC BY
7
УЖ 621.528.99
СС.ОЬЫННОС I V II ОЛЬ С РА I РАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ ЛЛЯ РАС.ЧЫ А ЛНИЖЬНИЯ ЗАПЫЛЕННОГО ПОТОКА В ЗОЛОУЛОВИТСЛС
В 11. Ьелоглгсов. J1. В. Ьелогласова Омский государственный технический университет, г. Омск. Россия
Аннотация Актуальность л за in определяется необходимостью создаппя метоликп распета золо улавливающих аппаратов пнерппонно-вакуумного типа. в которой используется численный метол кои-
ЦШ1КНЫ\ IlfihPMOK I.IH рРШРНИЧ СМ МЧИ \.1МК.1|1К;1ННН «L'lhl. ТТ[1Ы »IHM Л Ifr ККИ I Н«1П К (iaiVMillll4H-k-(M МН-
ДСЛЯ тесно связана с корректной постановкой граничных условии определяющих качественные п количественные характеристики запыленного потока
Целью исследования является нахождение оптпмлльных граничных условий для провеления численного моделирования в программном модуле ANSYS CFX. Объект исследования - запыленный поток и его характеристики в золоуловителе при изменении граничных условии. Методы, которыми пользовя-.1игк при проке. tt>HiiH каким и - -»■«» с рлнисни*' ни. г. чен ныл penihiaiiiK г ■ariiuiiiHhitin даннмин
конкретных аппаратов и пис.тспиып жепернмепт. Результатом проведеппых экспериментов являются получение корректной сеткп п граничные условия, которые максимально соответствуют паспортным
ДАННЫМ <11.1(П.1(№И11>.1М. 1,1 К ИМ как р«1Г»ОД, -t<]>l| pk l II KHOI I К. (KOflOCIh II Mf[lt-llit,| ДЯК.1ИНИИ. Т» lili одири
найденным граничным условиям можно рассчитывать новые золоулавлпваюшпе установки посредством численного моделирования без проведения дорогостоящих н металлоемких натурных эксперпмсп
Ключевые слово - золоулавливание, запыленный поток, золоуловитель, дисперсный состав золы.
:. введение
При модернизация устаревшего оборудования проектировщики сгшшшаютс£ с проблемой визуализации пропсссов. происходящих в установке. Решить эту проблему можно дзумд способами: либо рассчитать движение потока лолуэмпнричесьлми уравнениями (что не даст полной информации о процессе), либо с помощью
дифференциальных уравнении (которое решаются методами контрольных объемов или конечных разностей в уже готовых программных оболочках). Все вышеперечисленны? методы невозможно реализовать без сепж. Сетка разбивает все внутреннее пространство установки на мельчайшие элементы, благодаря которым вычисляется как пограничный слон, так и канальное течение. Корректность сетки как и корректность постановки граничных условий, играют немаловажную роль в расчете движения потока.
И. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
. аким образом. для решения поставленной задачи неоомодимс выбрать сетку, соответствующую максимально возможной точности получаемых результатов. При этом, выделив ряд грашгшых условии 11 11 (табл. 1), можно выбрать пару грашлпих услознй. которая бы максимально соответствовала паспортным данный! золоуловителя по расходу. стелеии очистки, скооостям. развивающимся в verán эш<е и перепаду давления и получоть корректный результат.
ТАБЛИЦА 1
TTFPF.4F.Hb ГРАНИЧНЫХ vr.nOBHV' ДЛЯ 3KTTFPHMF.HT0B
Вход Выход
Мжижми pai'xivi пшена уходящих i ;l-:ok Дишгниг
Давление Давление
МасссЕЕШ расход потока уходящих газов Скорость потока газов
Давление Скорость потока газов
Скорость потока газов Давление
Выбор любой нз этих пар граничных условий несет свои преимущества н недостатки касательно дальнейшего нх использования прн расчете ноеого золоуловителя. В результате эксперимснгоЕ. проведенных с помощью вычислительного модуля ANS YS С7Х. наглядно понятно, какие граничные услозня можно наиболее корректно использовать для расчета принципиально нового золоуловителя. Далее, используя метод верификации, рассчитывается циклон Щ1-11-500 лля установки соотвстстеия полученных результатов паспортным данным. J ол оулавливакшая установка получена в программном модуле Solidvrorks.
Ш. ТЕОРИЯ
Используя прн расчете метод контрольных объемов, качество выбранной сетки определяется исходя из пра-ни.1кн;к'1 и Iи 1,.ч«с>:>:< ргх шммшшгй mllnij>oiMily angltr, nirsli hsi*t! lalm и mrsli гхрзпчюп fori о:
Oi l1i«j.:ni;i1ily niij^lr — угол ^шноналчнш'ги, mvrjuri рапкшижгниг кгкшрч норияли к ip;iH-i к точке ИЧ1Г-■ рирпчиих (и) х кг к i пру m учла к y-uiy (s), по чиглпког н]м-,иг1иклгниг жглитгльно кмгчитьисггь но «¡м>рму.1г ОтП ovonalily »iiijlr — 90*-aimw(n,s)Mrsli чч:ш1 laliu — котчЬфицигт цхшорщшналкносги, кшорми штшмкип' ьж-ко.1чк() кнгтнуг кон1]х:лкнк1и иГтым, жглгмглнный ги» шжн<ищ|ь /уиикгн йыть <100 Mrsl схрипмип lar Ich — обозначает, насколько положение узла недостаточно тэчно соответствует центральной точке контрольного объема: желателен <20.
Численный анализ проведилея в оболочке AN'SYS CFX [5]. При проведении расчетов была выбрана к - модель турбулентности [б, 7].
При списании процесса течения использовались классические уравнения гидрогазодинамики: уравнение неразрывности. уравнения движения [2]. уравнение к- модели, гравненне для эффективной и суммарной вязкости [?]
В численном эксперименте использовалось уравнение, которым описывается движение частиц. Влияние частиц на поток будет минимальным нз условия, что поток является слабозапыленным [10]. В создании уравнения движения частицы использовались разработки A.b. Ьасеета [11], Ж.В. Ьуссннеска [12] н К.В. Озеека [13]
IV РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Результатом нрооезекпых скспер:тмептоз являются получение корректной сетки и грапнчиые условия, ко тсрые максимально соответетзугот паспортным данным золоуловителя, таким как расход, эффехтилпость. ско роеть и перепад давления. Результаты проведешгык экспериментов сцедепы в табл. 2.
ТАБЛИЦА 2
ЗАДАННЫЕ И ВЫЧИСЛЕННЫЕ ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ
Грапнчпые условия V4 Расчетный Расчетное расход давлеппс(вход . . выход). [Па] («Аол-выхил). 1 1 [кг.'с] Максимальная скорость, радеша.ч uoiukom в установке, [wcj Эффективное-Ь. [° 0]
Расход 0.53 кг/сна входе -давление 100000 Пака выхо- 100335... 100005 0.53...0.528 20 100
Давление 100000 Па на входе. 9880011а на выходе 61363.. 93334.9 12.5В. .8.93 1490 99
Расход на входе 0 il кт^с - на выходе скорость 3.5 м'с 1Д7.4 ОЪ 0?.?. 40 100
Давление па эходе 1 Ut000 lia - на выходе скорость 3.5 м/с 1UC000 ..9У880 U.2MV...0.21-13 IS 100
Скорость на входе 3 .5 м/с -па выходе давление 1С0000 Па 100011... 100000 0.0664.. .С. Э6628 4.S 9Э
V ОБСУЖДИГ^ PF.ÍVTbTATOR Аналяшруд полученные результаты. muahj и хмелть. чти из xscca ирозглеьных численных зкелернмеяхиь .ильки один, .-пибраженньш на рис. 5. хлхясхш как фкшч.-хым. хак и солиехехиуклинм иасиоухьы.ч характеристикам циклона, выбранного в качестке опыгнего.
Остальные результаты не соогзсгсгвуюг паспортам характеристикам, в чем можно убедиться визуально лрк анализе хаоаклсристнк течения потека и золовых частил. прсдстаалснных на соответствующих ркс. 1, 2, 3,4.
i
J.
?ис. 1. Циклон с граничными условиями расход на входе. давле:ше ла выходе
На ркс. 1 наблюдается степень очистки порядка 1 ЭС%. чего ке может быть. Д1шамика процессов отображена физкчно. но отсутствие улетающих частиц заставляет задуматься об обратном
ГГ-':.
щ'Ш
J.
Рис. 2. Циклон с гргипчнымн условиями давление на входе. яатт<»-птр тта BMvnw
На рис. 2 наблюдаются аномально высокие скорости во входном патрубке, которых там просто не может быть. Из 100 запущенных ластнц всего одна вылетела из выходного патрубка.
Риг î Циклон с граничными условиями расход на яходе, LKupot ib на выходе
На рис. 3 скорости выше положенных в 2 раза, 1004 улавливаемссть чаепш и несоответствия с данными по расходу заставляют лишний раз задуматься о корректности результатов.
___ А
Рис. 4. Циклон с 1 рани иными условиями давление на вхцдс. скорость на выходе
На рис. 4 частицы за отведенное нм время даже не дошли до нижней части оункера. несмотря на непрерывно поступающий поток и скорость в 13 м/с. Улавливаемость золы составляет 100%, что также заставляет усо-л.-ш 1ьсл в полученныхрезу.хыагах.
JL
Рис. Ь. Циклон с граничными условиями скорость из входе, далление на выхоле (не оиНет, а гтреппд) [1]
На риг 1 максимально хоролтее отображение поведения чалгигт в чолоулгиготрге; данные чотприе были получены по нему хорошо корреспондируются с паспортными
Анализируя полученные результаты экспериментальных данных, можно отметить в ряде случаев, что численное моделирование, граннчные условия и выбранная сетка достаточно хорошо корреспондируются с физическими условиями течения запыленного потока.
Можно выделить случаи постановки граничных условий и соответствующую сетку, для которых целесообразно использовать полученные результаты численного эксперимента в дальнейших исследованиях.
VI ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Из всех численных экспериментов наиболее точно соответствует паспортным данным [11] расчет с граничными условиями скорость на входе - давление на выходе (при этом выход должен обозначаться не как outlet, а как. opening). Несоответствие паспортным данным идет при расчете перепада давления, который равен всего 11 Па, а на самом деле должен достигать порядка 700 Па и выше. Данный недостаток можно пояснить не самой идеальной по всем параметрам сеткой.
Основными критериями качества сетки являются такие параметры, как orthogonality angle (отвечает ia векторы нормали к грани в точке интегрирования н за вектор от узла к узлу), expansion factor, aspect ratio (максимальное значение отношения площадей гранен ячейки). Таким образом, постановка граничных условий при решении течений запыленных потоков и выбор сеткн должны быть выполнены тщательным образом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Смирнов Д. Е. [н др.] Исследование движения н сепаращш двухфазного потока в инерционно-центробежном пылеуловителе-классификаторе // Известия Тульского государственного университета. Естественные наукн. 2010 Вып. 2. С 334-339.
2. Vatin N.. Strelets К , Kharkov N Gas dynamics ш a counterflow cyclone with conical nozzles on the exhaust pipe !! Applied Mechanics and Materials. 2014 P. 17-21.
3. Mothilal Т., Velukumar V., Pitchandi K. Effect of cyclone height on holdup mass and heat transfer rate ш solid cyclone heat exchanger-CFD approach / APKN Journal of Engineering and Apllied Sciences 2016 P. 1269—1276.
4. Ivanov A. V., Dumnov G. E Muslaev A.V. Numerical modeling software package for computing aerodynamic characteristics of air cyclones П Chemical and petroleum engineering 2013. P. 187—195.
5. Басов К A ANSYS для конструкторов M : ДМК Пресс, 2009. 248 с.
6. Lesieur М. Turbulence ш Fluids // 4rth revised and enlarged edition. SpringerScience&BusinessMedia, 2012. -545 p
7. Lei Zhang. Study on numerical simulation of internal flow fields in the new-type // Applied Mechanics and Materials Switzerland. 2014 Vol. 507 P. 869-873.
8. Белоглазов В. П. Влияние входной скорости в инерционно-вакуумном золоуловителе на степень улавливания золы Экнбастузского угля / В. П. Белоглазов. Л. В. Белоглазова И Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2014. № 3 (133). С. 183-197.
9. Mothilal Т., Pitchandi К. Influence of inlet velocity of air and solid particle feed rate on holdup mass and heat transfer characteristics an cyclone heat exchanger // Journal of Mechanical Science and Technology. 2015 № 29 (10). P. 4509-45IS.
10 Varatsin A. Yu. Turbulent gas flows with solid particles. Moscow : Physics and mathematics publishers. 2003. 192 p.
11. Бассет А. Б. Трактат по гидродинамике: в 2 т.: пер. с англ. М.; Ижевск: Институт компьютерных исследований. 2014. Т. 2. 394 с.
12. Буссннеск Ж. В. Анализ бесконечно малых Т. 1 Дифференциальное исчисление. Изд-во: Тип. Г. Лнсс-нера и А Гешеля. 1899. 287с.
13 Оьееп С. W. The theory of liquid crystals. Trans Faraday Soc. 1933. 29. P. SS3-889
