Научная статья на тему 'Особенности верификации математической модели для течения дисперсного потока в ИВЗ'

Особенности верификации математической модели для течения дисперсного потока в ИВЗ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
86
43
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЗОЛОУЛАВЛИВАНИЕ / ИНЕРЦИОННО-ВАКУУМНЫЙ ЗОЛОУЛОВИТЕЛЬ / КОНСТРУКЦИЯ / ВЕРИФИКАЦИЯ / ASH COLLECTION / INERTIAL-VACUUM ASH COLLECTOR / DESIGN / AND VERIFICATION

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Белоглазов Владимир Петрович, Белоглазова Любовь Владимировна

Целью данной работы является верификация математической модели расчета запыленного потока на примере циклона СЦН-40-640 для дальнейшего использования модели при расчете ИВЗ (инерционно-вакуумного золоуловителя). Важность разработки ИВЗ определяется требованиями, предъявляемыми европейскими стандартами по защите окружающей среды. Статья в примерах показывает и объясняет сложность выбора граничных условий. При необходимом совпадении результатов численных экспериментов и паспортных данных циклона верификация может считаться выполненной верно.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Белоглазов Владимир Петрович, Белоглазова Любовь Владимировна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Features of mathematical model for experiments with dispersed flow

The purpose of this work is to verify the mathematical model for calculating the flow of dusty on the example of the cyclone SCN-40-640 for later use in the calculation model, IVAC (inertial vacuum ash collector). The importance of the development of IVAC defined the requirements for the protection of European standards environment. An article in the examples shows and explains the complexity of the choice of the boundary conditions. If necessary agreement between the results of numerical experiments and verification of passport data of the cyclone may be executed correctly.

Текст научной работы на тему «Особенности верификации математической модели для течения дисперсного потока в ИВЗ»

УДК 621.184.82

В. П. БЕЛОГЛАЗОВ Л. В. БЕЛОГЛАЗОВА

Омский государственный технический университет

ОСОБЕННОСТИ ВЕРИФИКАЦИИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ТЕЧЕНИЯ

ДИСПЕРСНОГО ПОТОКА В ИВЗ_

Целью данной работы является верификация математической модели расчета запыленного потока на примере циклона СЦН-40-640 для дальнейшего использования модели при расчете ИВЗ (инерционно-вакуумного золоуловителя). Важность разработки ИВЗ определяется требованиями, предъявляемыми европейскими стандартами по защите окружающей среды. Статья в примерах показывает и объясняет сложность выбора граничных условий. При необходимом совпадении результатов численных экспериментов и паспортных данных циклона верификация может считаться выполненной верно. Ключевые слова: золоулавливание, инерционно-вакуумный золоуловитель, конструкция, верификация.

Разработка аппарата ИВЗ выполняется по заданию фонда «Энергия без границ».

Расчет установки, в которой движется дисперсный поток, является задачей непростой. Сложен он по ряду причин, главные из которых — построение сетки и выбор корректных граничных условий. Сетка не может быть в виде ячеек одинаковой величины, т.к. вблизи стенки необходим тонкий слой у+, который может помочь рассчитать влияние пыли на стенки установки. Однако сильно малыми ячейки тоже быть не могут. Если ячейка меньше диаметра частицы, значит, велика вероятность, что эта частица не сможет пройти ряд ячеек и из-за этого расчет траектории полета частицы будет лишь до той ячейки, в которой она еще смогла поместиться. Некорректная сетка может видоизменить траектории полета частицы и сделать его неверным. Граничные условия так же не менее важные параметры, по которым можно оценивать качество расчета установки.

Граничные условия, которые мы будем верифицировать относительно движения потока в циклоне, предложены в табл. 1.

Выбор любой из этих пар несет свои преимущества и недостатки касательно дальнейшего их использования при расчете нового золоуловителя. В результате экспериментов, проведенных с помощью вычислительного модуля ANSYS CFX, будет видно, какие граничные условия наиболее корректно использовать для расчета принципиально нового золоуловителя.

Численный анализ проводился в оболочке ANSYS CFX [1]. При проведении расчетов была выбрана ^е модель турбулентности.

При описании процесса течения использовались классические уравнения гидрогазодинамики: уравнение неразрывности:

д{рч) | д(ру) + д(рн>) 0; дх ду дх

уравнения дв ижения:

ди ди ди

ри--х рв--+ рт — =

дх ду ди

<р д ( ди р д ( ди Л д ( ди

= ~ + — I 0?— 1 + — I 0? — | + — I X?—

дх дх (у ди) ду ( ду- дх ( ди

дв дв

дв

ри--+ рв--+ рт — =

Вх В— Л)х

дх д ( дв Л д ( дв) 1 д ( дв

--1 XX — I +--1 0? — 1+--1 0? —

Хх дх ( дх) ду в ду) дх у вх

дт дт

дт

ри--+ рв--+ рт -

0о ду дх

дх д ( дт\ 8 ( дт^ д ( дт

-—+--1 х? — И--1 М?— |+--1 X?—

дх дрр У дх) рд У др) дху дх

=pавнeхkу х-( модели:

р ^г« + род-(к) + рт0д-(к) = дх др дх

«Л+.дГ Уkí\+д8( д+Л+ Б

д=у ' дх) д—У ' до—) дх у ' дх) ' '

ру+X-{+д++в++■{+-) + +х)+х-{+)--

дх ду дх

д ( 0, дкЛ д ( 0' дк+ д ( 0 I дк

дх1 х+ дх) =у! ср ду) дхухЕ дх

+ с+х,+ О-с2р+-; к к

+

Верифицируемые граничные условия

Таблица 1

Вход Выход

Массовый расход потока уходящих газов Давление

Давление Давление

Мяссовый расход еотока уходящих газов Скорость потока газов

н

Рис. 1. ИВЗ

Рис. 2. СЦН-40-640

уравнение для эффективной и суммарной вязкости:

^ еМяМ,, ,

е

В численном эксперименте использовалось уравнение, котврым вписываете я дсижение частиц. Влияние частиц на поток будет мияимальным яз условия, что поток явлгется слабозапыле^ным (70 мг/м3 на 150000 м3/ч расхода уходящие газов в ИВЗ [2], и 70 мг/м3 на 50С00 м3/ч длс РЦН-40). Силы, действующие на частицу, описаны ниже.

Уравнение дстжетия чратицы было получено Бассетом, Буссинеском и Озееном:

сп

р е д я д я д я д я д

Сг

Физический смысл сил, находящихся по правую сторону уравнения:

Г — сила сопротивления, действующая на частицу.

Рв — выталкивающая сила земного притяжения. Ря — силы, возникающие за счет вращения потока (центростремительная и сила Кориолиса).

^ум — виртуальная (или добавочная) массовая сила. Это усилие, необходимое для того, чтобы ускорить виртуальную массу жидкости в объеме, занимаемом частицами. Этот термин имеет важное значение в случае, когда смещенная масса жидкости превышает массу частиц, например, в движе-

нии пузырьков. В данном случае равна нулю.

Рвл — сила Бассета или расчет той ее части, на долю которой приходится отклонение в структуре потока от стационарного состояния. Этот термин не применяется в СБХ. Равна нулю в данном расчете [3 — 6].

Подтверждение результатов инерционно-вакуумного золоуловителя ИВЗ (рис. 1) будет на циклоне СЦН-40-640 (рис. 2). Золоулавливающие установки изображены в программном модуле БоЦс^огкБ.

Для того чтобы начинать делать выводы по разным циклонам, разберем паспортные данные каждого.

СЦН-40 — это высокоэффективный циклон, изготавливаемый как в одиночном, так и в групповом исполнении. Предназначен для утилизации средне-и мелкодисперсной пыли в технологических газах и аспирационных выбросах. Такой показатель, как размер частиц, улавливаемых с эффективностью 50 %, у циклона СЦН-40 самый лучший из всех циклонов НИИОГАЗ и составляет 1,0 мкм.

Циклоны группового исполнения изготавливаются как с «левым» так и с «правым» вращением газового потока. Оптимальная скорость на входе в циклон 16,5 — 24 м/с, при этом сопротивление циклона 1125-2300 Па.

Скорость 16,5 м/с в проточной части корпуса циклона рекомендуется для очистки от абразивной пыли, согласно паспортным данным.

В численных экспериментах с граничными условиями: давление — давление получается 100 % очистка газа от пыли. Максимальная скорость, достигаемая

2

т

р

Рис. 5. Расчет СЦН-40-640 с граничными условиями: давление на входе, скорость на входе

Рис. 6. ИВЗ с граничными условиями: давление на входе, давление на выходе

Рис. 7. ИВЗ с граничными условиями: расход на входе, скорость на выходе

в корпусе — 83 м/с, рабочий перепад был в интервале 99875 Па — 99288 Па. Хотя изначально граничные условия были выставлены: давление — 100000 Па на входе и давление — 99265 Па на выходе (рис. 3). Мы не контролировали расход потока в установке, программа сама смоделировала, что на входе 7,506 кг/с, на выходе 7,482 кг/см, учитывая, что расход частиц мы задавали (0,011 кг/с — это составляет 10 % от массы потока в 0,11 кг/с, из которых изначально и велся расчет).

В численных экспериментах с граничными условиями: расход 0,11 кг/с — давление 100000 Па. Массовый расход 0,11—0,110067 кг/с среднее давление 99993 Па—100000 Па. Скорость максимальная 0,7 м/с. При заданных 0,11 кг/с — 100000 Па. (0,011 кг/с — это составляет 10 % от массы потока в 0,11 кг/с, из которых изначально и велся расчет (рис. 4)).

Максимальная скорость — 25 м/с; расход на входе 0,11 — на выходе 4,2 кг/с; перепад: 1,92 Па — 174 Па. При заданных граничных условиях, расход — 0,11 кг/с на входе скорость потока — 15 м/с на выход (0,011 кг/с — это составляет 10 %

от массы потока в 0,11 кг/с, из которых изначально и велся расчет) (рис. 5).

Далее рассматривается установка ИВЗ. Паспортных данных на нее не имеется, однако был проведен эксперимент на малой модели, 2 метра высотой, на основании которого можно судить, с точки зрения физики, о движении потока внутри проточной части аппарата. Степень газоочистки составляет около 99 %.

Граничные условия: давление на входе 100000 Па — давление на выходе 99344 Па. 99 % — степень улавливания (2,91 кг/с — это составляет 7 % от массы потока в 33,25 кг/с, из которых изначально и велся расчет). Особенность постановки граничных условий в том, что при иной компановке деталей подъем и опускание входного патрубка, перемещение рассекателя и т.п. наблюдается ухудшение показателей улавливаемости, чего не наблюдалось на циклоне СЦН-40 — 640 (рис. 6).

33,25 кг/с — 33,1494 кг/с, 113327 Па — 99999,8 Па. Граничными условиями является расход 33,25 кг/с — расход на выходе 100000 Па. Максимальная скорость 139 м/с (рис. 7).

Сложность расчета новой установки состоит в том, что для верификации по паспортным данным циклонов используются разные граничные условия. Как, например, для СЦН:

— граничные условия: общее давление — 100000 Па на входе, 0,2829 кг/с расход потока газов с пылью на выходе, с опорным давлением на 98290 Па, с учетом кинетической энергии 1 м2с2 и турбулентно-вихревой диссипации 0,0001 м2с3, распределение пыли по параметрам экибастузской золы (рис. 8).

В результате численных экспериментов с различными граничными условиями, с точки зрения физики, реализуется три различных граничных условия, что связано с различной сложностью конфигурации проточной части аппарата. Результаты этих расчетов показывают, что под каждый золоуловитель необходимо выбирать свои граничные условия, при которых установка сможет работать и выдавать результаты своих паспортных данных. В ходе численных экспериментов было выявлено, что для ИВЗ граничные условия должны быть (давление — давление), для СЦН-40-640 (давление — расход).

В конечном итоге граничные условия необходимо выставлять на основании проведения испытаний.

Библиографический список

1. Применение системы ЛМ8У8 к решению задач механики сплошной среды. Практическое руководство / Под ред. А. К. Любимова. — Н. Новгород : Изд-во Нижегородского унта, 2006. — 227 с.

2. Пат. 93298 Российская Федерация, МПК7 В 01 Б 45/06. Инерционно-вакуумный пылеуловитель / Белоглазов В. П., Ченцов А. В.; заявитель и патентообладатель ООО «Вихрь». —

№ 2009144229/22 ; заявл. 30.11.09 ; опубл. 27.04.10, Бюл. № 12. - 6 с.

3. Влияние скорости дисперсного потока в конфузорном сечении инерционно-вакуумного пылеуловителя на степень улавливания частиц // Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса : материалы Междунар. науч.-практ. конф., 10 июня / В. П. Белоглазов, М. В. Комаров, А. С. Мозжегоров, А. А. Петрищев, И. В. Рафальский ; под ред. : В. В. Шалая, А. С. Не-нишева, А. Г. Михайлова, Т. В. Новиковой. — Омск : ОмГТУ, 2011. — С. 92 — 95.

4. Белоглазов, В. П. Влияние входной скорости в инерционно-вакуумном золоуловителе на степень улавливания золы экибастузского угля / В. П. Белоглазов, Л. В. Белоглазова // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2014. — № 3 (133). — С. 183 — 197.

5. Lesieur, M. Turbulence in Fluids. Fluid Mechanics and Its Applications. — 3rd edition. — Kluwer Academic Publishers, 1997. — 288 p.

6. George R. Sell, CiprianFoias. Turbulence in Fluid Flows: A Dynamical Systems Approach / George R. Sell, CiprianFoias, Roger Temam. — Springer Science & Business Media, 1993. — 197 p.

БЕЛОГЛАЗОВ Владимир Петрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры теплоэнергетики.

Адрес для переписки: vpbn@mail.ru БЕЛОГЛАЗОВА Любовь Владимировна, аспирантка, ассистент кафедры теплоэнергетики. Адрес для переписки: teploblv@mail.ru

Статья поступила в редакцию 16.02.16 г. © В. П. Белоглазов, Л. В. Белоглазова

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.