ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ ВБЛИЗИ БОКОВОГО ВСАСЫВАЮЩЕГО КАНАЛА

Логачев К.И.; Аверкова О.А.; Зиганшин А.М.; Крюкова О.С.; Уваров В.А.; Гольцов А.Б.

УДК 662.612

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ ВБЛИЗИ БОКОВОГО

ВСАСЫВАЮЩЕГО КАНАЛА

Логачев К.И.1, Аверкова О.А.1, Зиганшин А.М.2, Крюкова О.С. 1, Уваров В.А.1, Гольцов А.Б.1

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова», 308012, г.Белгород, ул.

Костюкова, 46, logachev.ki@bstu.ru

2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», ул. Зеленая, 1, Казань 420043,

amziganshin@kgasu. т

Аннотация. В статье представлены результаты исследования динамики пылевых частиц в спектре действия круглого всасывающего канала с фланцем, установленного на плоскую горизонтальную поверхность. Ось симметрии перпендикулярна вектору ускорения свободного падения. При определении поля скоростей воздушной среды использовался метод дискретных вихрей в стационарной постановке. Для оценки эффективности улавливания пылевых частиц предложено использовать расстояние предельной траектории пылевых частиц, вылетающих на заданной высоте от непроницаемой плоскости. Построены траектории пылевых частиц, вылетающих на разных расстояниях от непроницаемой плоскости. Оценена эффективность улавливания при разных скоростях всасывания и скорости витания пылевых частиц. Найденные закономерности полезны для обоснования необходимого объема аспирации боковых отсосов, расположенных на непроницаемой плоскости.

Ключевые слова: системы местной вытяжной вентиляции, боковой отсос, пылевые частицы, предельные траектории, эффективность улавливания.

ВВЕДЕНИЕ

Местный отсос является наиболее эффективным устройством для улавливания избытков теплоты [13], вредных газообразных выбросов [4-5], жидких и пылевых аэрозолей [6-10]. В ряде случаев для улавливания загрязняющих веществ, в частности пыли, удобно использовать боковой отсос. Например, отсосы от гальванических ванн. Удобно расположения отсоса сбоку при локализации пылевыделений в косметологических кабинетах. Поэтому предсталяет интерес исследовать поведение пылевых частиц во всасывающем факеле бокового отсоса.

АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ

Многие работы посвящены исследованию влияния фланцев, козырьков или механических экранов на эффективность захвата загрязняющих веществ вытяжными зонтами. В работе [11] показано, что добавление фланцев (механических экранов) повышает эффективность захвата загрязняющих веществ на 88%. Скорость воздуха, захватывающего загрязняющие вещества при использовании фланца выше, чем без него [9, 12, 13]. В работе [14] для увеличения скорости местного отсоса-раструба предлагается газовый направляющий прибор.

Наибольшая осевая скорость всасываемого воздушного потока достигается вблизи

всасывающего зонта с круговым фланцем, т.е. в случае угла наклона полки зонта равного 90° [9, 15]. Аналогичный результат получен и для щелевидных местных отсосов [9]. При значении угла наклона козырька к оси отсоса равным 90° осевая скорость воздуха наибольшая. Поэтому использование таких вытяжек в случае невозмущённой среды наиболее эффективно для улавливания загрязняющих веществ, в том числе и пыли. Для квадратных и прямоугольных свободных открытых вытяжек была оценена скорость захвата воздушным потоком загрязняющих веществ с учетом геометрических размеров и сил вязкости [16]. Определено распределение скорости в зависимости от размеров зонта, соотношения ширины и длины входного проема вытяжки. Построена линия отрыва потока с острых кромок вытяжки. Была предложена формула для скорости воздушного потока вблизи вытяжных отверстий. Определение величины этой скорости необходимо для правильного выбора вентилятора и эффективного захвата загрязняющих веществ. Влияние набегающего потока и динамика пылевых частиц не рассматривались.

Использование тонких козырьков способствует повышению эффективности местного отсоса и в случае наличия набегающего на него воздушного потока [2]. Известны численные, при помощи методов CFD, и экспериментальные исследования течений вблизи открытого вытяжного зонта, на который набегает конвективная воздушная струя от высокотемпературного источника [3]. Здесь предложен способ снижения температуры воздуха в помещении в случае недостаточной эффективности

отсоса, неполно улавливающего тепловую струю за счет применения не только местной, но и общей вентиляции.

Поведение пылевых частиц в спектре действия местного отсоса рассматривалось при покоящейся внешней среде в работах [17-19]. Захват пылевых частиц открытым местным отсосом в виде всасывающего патрубка [20] исследовался в покоящейся среде при изменении диаметра, плотности частицы, начальной скорости и времени релаксации. Рассматривалось стоксовское обтекание воздухом частицы. Движение воздушного потока инициировалось только всасывающим отверстием. Пылевые частицы размерами от 1 до 60 мкм вылетали из точечного источника вертикально или горизонтально. При помощи численного интегрирования уравнения движения пылевой частицы определялся ее захват при разных скоростях вылета. Исследования поведения пылевых частиц вблизи круглого всасывающего патрубка в покоящейся среде [17] показало доминирующее влияние диаметра всасывающего отверстия и скорости всасывания на длину захвата пылевых частиц. Под длиной захвата понималось максимальное расстояние по вертикали от всасывающего зонта до точки, в которой частица улавливается. В закрытых местных отсосах -укрытиях основной целью является снижение концентрации на входе в вытяжное отверстие и минимальное осаждение пыли на стенках вытяжного колпака [21].

Родственными задачами улавливания пылевых частиц местными отсосами являются задачи аспирации аэрозоля в пробоотборники [22]. При набегании низкоскоростного потока, который как раз и характерен для задач местной вентиляции, исследовался захват пылевых частиц в круглые всасывающие каналы [23]. Строились предельные траектории, и определялся коэффициент аспирации в зависимости от отношения скорости набегающего потока к скорости всасывания, в рамках моделей потенциального и вязкого газа, без учета и с учетом гравитации. Изучены пространственные распределения концентраций частиц в окрестности и внутри пробоотборника при различных числах Стокса [24].

Набегающий на местный вытяжной зонт пылевоздушный поток нами рассматривался в работах [25-26]. Построен ряд предельных траекторий пылевых частиц для разных чисел Стокса и скорости набегающего потока. Обсуждался вопрос о влиянии на коэффициент аспирации угла наклона полки зонта и его длины. В работе [27] получены графические зависимости коэффициента аспирации от скорости витания пылевых частиц, скорости набегающего потока и скорости всасывания, длины и угла наклона зонта. Зонт располагался вертикально, т.е. ось его симметрии была параллельна вектору ускорения силы тяжести.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Рассматривается боковой круглый отсос с фланцем (рис.1). Ось 0х направлена

перпедикулярно вектору ускорения свободного падения g и непроницаема вдоль направления нормали к ней. Ось 0у противоложно направлена вертору g. Радиус всасывающего канала Я, длина фланца й, скорость всасывания ио.

В расчетах Я = 0.1м. Затем геометрические размеры приводились к безразмерному виду.

Цель: определить при разных скоростях всасывания и0, скорости витания с пылевых частиц и удалении р от непроницаемой оси 0х расстояния к от входа в отсос, при котором данные частицы пыли улавливаются.

Для расчета несущей среды использовался метод дискретных вихревых колец с учетом образования двух вихревых зон, образующихся при срыве потока с острых кромок. Линии тока и границы вихревых зон показаны на рис.1. Вычислительный алгоритм расчета с доказательством его адекватности и достоверности изложен в работе [28].

Траектории пылевых частиц построены при помощи численного интегрирования системы дифференциальных уравнений:

с нулевыми начальными скоростями, где с = Р р / (ф%18ц) - скорость витания (осаждения) пылевой частицы; ха \аг) - скорость воздуха;

Р а - плотность воздуха; V (урх, ург) - скорость частицы; р - плотность частицы; йе -эквивалентный диаметр частицы (диаметр равного по объёму шара); g - ускорение свободного падения; Бт = пЛЦ 4 - площадь миделевого сечения частицы; % - коэффициент ее динамической формы; ф - нормированный коэффициент лобового сопротивления частицы (отношение коэффициента сопротивления к коэффициенту сопротивления при стоксовском режиме обтекания), вычисляемый по формулам Стокса, Клячко, Адамова:

й = 1 если Ке<1; ф =(1+1/6 Же2Д): если 1<11е<103; ф = (1 + 0,065 Не1если йе>103

где Яе = ра | ^ - va\de / ц, ц - коэффициент

динамической вязкости воздуха.

Достоверность разработанного вычислительного алгоритма построения предельных траекторий пылевых частиц доказана в работе [27] для задачи определения коэффициента аспирации круглого

всасывающего патрубка в условиях набегающего потока.

Рис.1. Воздушное течение вблизи щелевого отсоса с фланцем длиной d = 2R Fig.1. Air flow near the slot exhaust with a flange of length d = 2R

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ

Для определения искомого расстояния h строились предельные траектории пылевых частиц при заданных u0, p, с. Скорости витания принимали значения 0.01; 0.05; 0.1; 0.2; 0.3; 0.4; 0.5; 0.6; 0.7; 0.8; 0.9; 1; 2; 4. Сверху траекторий (рис.2 - 4) эти числа нанесены. В случае близости траекторий значения скоростей витания не наносились, но они следуют в указанном порядке справо налево, поэтому легко определяются. При увеличении скорости всасывания предельные траектории всех частиц удаляются от входа в отсос. В случае увеличения высоты p/R образования пылевых частиц, дальность их улавливания h/R увеличивается не всегда. Для крупных частиц величина h/R сначала увеличивается, затем уменьшается. Это хорошо заметно для частиц со скоростью витания c = 2 - 4 (рис.4). Данное обстоятельство связано с большей инертностью крупных частиц. Чем выше высота вылета, тем больше она разгоняется и тем сложнее ее уловить.

Из представленных предельных траекторий (рис.2 - 4) следует, что они становятся более близки

с повышением скорости витания с. Это хорошо заметно для частиц со скоростями витания с = 0.1 -1. С каждой следующей траекторией расстояние до предыдущей снижается. С уменьшением скорости витания это расстояние, напротив, увеличивается.

Вычислительные эксперименты показали, что предельные траектории пылевых частиц с малыми скоростями витания накладываются друг на друга (рис.5). Так, для частиц со скоростью витания с = 0.1 предельные траектории, построенные для разных величин p = 0.1, 0.5, 1, 2, 4.5, ложатся на одну линию. При возрастании скорости витания предельные траектории не ложатся на одну линию (с = 1 рис.5). Данный результат связан с большим влиянием скорости падения частиц большей крупности. При построении предельной траектории начальная скорость частицы равнялась нулю. При падении же частицы с большей высоты, при достижении высоты, с которой строится данная предельная траектория, влияние скорости падения для крупных частиц становится существенным. Для мелких частиц, вследствие их малой инертности, скорость вылета быстро становится равной скорости среды, поэтому и предельные траектории совпадают.

Рис.2. Воздушное течение вблизи щелевого отсоса с Рис.3. Воздушное течение вблизи щелевого отсоса с

фланцем длиной d = 2R при скорости uo = 1м/с фланцем длиной d = 2R при скорости uo = 10м/с

Fig.2. Air flow near the slot exhaust with a flange of length d Fig.3. Air flow near the slot exhaust with a flange of length d

= 2R and the exhaust velocity uo = 1 m/s = 2R and the exhaust velocity uo = 10 m/s

Рис.4. Воздушное течение вблизи щелевого отсоса с фланцем длиной d = 2R при скорости всасывания ыо = 20 м/с Fig.4. Air flow near the slot exhaust with a flange of length d=2R and the exhaust velocity no = 20 m/s y/R

0 12 5 4 5 6

Рис.5. Предельные траектории пылевых частиц при разных ординатах точки вылета Fig.5. Limiting trajectories of dust particles at different ordinates of the release points

Из графиков рис.6 можно определить дальность h улавливания частиц разных скоростей витания и образующихся на разных высотах p от непроницаемой плоскости. Над графиками числами обозначены p/R = 0.1, 0.5, 1, 2, 4.5. Наиболее резкое изменение величины h/R наблюдается при

изменении скорости витания до c = 1, затем падение h/R более плавное. На этих графиках также заметно влияние инертности крупных частиц на дальность их улавливания h/R. Линия зависимости при p/R = 4.5 пересекает все остальные при c > 0.5.

Рис.6. Зависимость дальности h улавливания пылевых частиц от скорости витания c: а - ыо = 1 м/с; b - ыо = 10 м/с; c - ыо = 20 м/с Fig.6. The dependence of the distance h of trapping dust particles from the settling velocity c: a - ыо = 1 m/s; b - ыо = 10 m/s; c - ыо = 20 m/s

Рис.7. Зависимость дальности h улавливания пылевых частиц от скорости всасывания при разных скоростях витания (числа справа от графиков): а - p/R = 0.1; b - p/R = 0.5; c - p/R = 1; d - p/R = 2; e - p/R = 4.5

Fig.7. Dependence of the h range of dust particles capturing on the exhaust velocity at different settling velocities (the numbers to the right of the graphs): a -p/R = 0.1; b -p/R = 0.5; c -p/R = 1; d -p/R = 2; e -p/R = 4.5

Зависимости величины h/R от скорости всасывания (рис.7) демонстрируют рост этой величины с увеличением скорости всасывания u0. По этим графическим зависмостям можно найти необходимую скорость всасывания для эффективного улавливания пыли на определенном расстоянии от отсоса и удалении от непроницаемой плоскости.

ВЫВОДЫ

Построенные предельные траектории пылевых частиц и найденные зависимости дальности улавливания пылевых частиц на разных высотах их образования могут быть использованы для определения необходимого расхода отсасываемого воздуха для эффективной локализации пылевыделений и определения расстояния для установки бокового отсоса. Дальнейшие исследования будут направлены на выявление зависимости дальность улавливания частиц разных скоростей витания от величины и направления

начальной скорости вылета пылевых частиц и длины фланца. Представляет интерес также определить влияния профилирования отсосов на дальность улавливания пылевых частиц.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 18-7910025).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Huang, Y., Wang, Y., Liu, L., Nielsen P.V., Jensen, R. L. and Yan F. (2015). Reduced-scale experimental investigation on ventilation performance of a local exhaust hood in an industrial plant. Build. Environ. 85: 94-103. DOI: 10.1016/j.buildenv.2014.11.038

2. Huang, Y., Wang, Y., Liu, Nielsen, P.V., L. Jensen, R.L. and Yang, X. (2017). Performance of constant exhaust ventilation for removal of transient high-temperature contaminated airflows and ventilation-performance comparison between two local

exhaust hoods. Energ. and Buildings. 154: 207-216. DOI: 10.1016/j.enbuild.2017.08.

3. Jeong, S.H., Kwon, H.M., Ahn, S.J. and Yang, J.H. (2016). A Study on the Improvement of Ventilation Rate Using Air-flow Inducing Local Exhaust Ventilation System. J. Asian Architect. Build. 15(1): 119-126. DOI: http://doi.org/10.3130/jaabe.15.119

4. Flynn, M.R. (2012). Local Exhaust Ventilation for the Control of Welding Fumes in the Construction Industry-A Literature Review, Ann. Occup. Hyg. 56(7): 764-776. DOI: 10.1093/annhyg/mes018

5. Gonzalez E., Marzal F., Minana A., Doval M. Influence of exhaust hood geometry on the capture efficiency of lateral exhaust and push-pull ventilation systems in surface treatment tanks. Environ. Prog. 2008.Vol.27, No. 3, pp. 405-411. DOI: 10.1002/ep.10287

6. Ojimai, J. (2007). Efficiency of a tool-mounted local exhaust ventilation system for controlling dust exposure during metal grinding operations, Ind. Health 45(6): 817-819. DOI: 10.2486/indhealth.45.817

7. Shepherd, S., Woskie, S. R., Holcroft, C. and Ellenbecker, M. (2008). Reducing Silica and Dust Exposures in Construction During Use of Powered Concrete-Cutting Hand Tools: Efficacy of Local Exhaust Ventilation on Hammer Drills. J. Occup. Environ. Hyg. 6(1): 42-51. DOI: 10.1080/15459620802561471

8. Vekteris V., Tetsman I., Mokshin V. Investigation of the efficiency of the lateral exhaust hood enhanced by aeroacoustic air flow. Process Saf. Environ. Prot. 2017. Vol. 109, pp. 224-232. DOI: 10.1016/j.psep.2017.04.004

9. Logachev, I.N., Logachev, K.I., and Averkova, O.A. (2015). Local Exhaust Ventilation: Aerodynamic Processes and Calculations of Dust Emissions. CRC Press. 564 p. DOI: https://doi.org/10.1201/b18488-2

10. Logachev, I.N. and Logachev, K.I. (2017). Industrial Air Quality and Ventilation: Controlling Dust Emissions. CRC Press. 414 p.

11. Reif R.H., Houck R.S. Poor design of local exhaust hood leads to radioactive release in the work area. Health Phys. 2000. Vol. 78, No.2, pp. 222-225. DOI: 10.1097/00004032-200002000-00011

12. Cascetta, F. and Rosano, F.M. (2001). Assessment of velocity fields in the vicinity of rectangular exhaust hood openings. Build. Environ. 36: 1137-1141. DOI: 10.1016/S0360-1323(00)00087-1

13. Huang, R.F., Liu, G.S., Chen, Y.K., Lin, S.Y.; Chen, Y.K., Wang, S.C., Peng, C.Y., Yeh, W.Y., Chen, C.W. and Chang, C.P. (2004). Effects of Flange Size on Dividing Streamlines of Exterior Hoods in Cross Drafts. J. Occup. Environ. Hyg. 1: 283-288. DOI: 10.1080/15459620490439045

14. Oh, Y.K., Kim, Y.S. and Yoon, H.S. (2008). A study on improvement capture velocity for increasing inhalation efficiency of hood in local ventilation system. Adv. Mat. Res. 47-50: 1039-1042. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.47-50.1039

15. Cascetta F., Bellia L. Velocity fields in proximity of local exhaust hood openings: an intercomparison between current recommended formulas and

experimental studies. Building and Environment. 1996. Vol. 31, No.5, pp. 451-459. DOI: 10.1016/0360-1323(96)00010-8

16. Pinelli, M., and Suman, A. (2014). A numerical method for the efficient design of free opening hoods in industrial and domestic applications. Energy. 74: 484493. DOI: 10.1016/j.energy.2014.07.014

17. Flynn, M.R. (2003). On the inertial range of particles under the influence of local exhaust hoods. Ann. occup. Hyg. 47(2): 151-156. DOI: 10.1093/annhyg/meg014

18. Logachev, K.I., Averkova, O.A., Logachev, A.K., Tolmacheva, E.I., and Dmitrienko, V.G. (2016). Modeling of Air and Dust Flows in the Range of Action of a Round Suction Funnel Above an Impermeable Plane. Part 1. A Mathematical Model and Algorithm for its Computer Implementation. Refract. Ind. Ceram. 56(6): 679-683. DOI: https://doi.org/10.1007/s11148-016-9911-z

19. Logachev, K.I., Averkova, O.A., Logachev, A.K., Tolmacheva, E.I., and Dmitrienko, V.G. (2016). Modeling of Air and Dust Flows in the Range of Action of a Round Suction Funnel Above an Impermeable Plane. Part 2. Characteristics of Separation Region and Efficiency of Capture of Dust Particles // Refractories and Industrial Ceramics. Refract. Ind. Ceram. 57(1): 103-107. DOI: https://doi.org/10.1007/s11148-016-9936-3

20. Madsen, U., Fontaine, J.R., Nielsenc, P.V., Aubertinb, G. and Breum, N.O. (1996). A Numerical Study of Dispersion and Local Exhaust Capture of Aerosols Generated from a Variety of Sources and Airflow Conditions. Am. Ind. Hyg. Assoc. J. 57: 134141. DOI: https://doi.org/10.1080/15428119691015061

21. Cao Z., Wang Y., Zhu H., Duan M. Study of the vortex principle for improving the efficiency of an exhaust ventilation system. Energy and Buildings. 2017. Vol. 142, pp. 39-48. DOI: 10.1016/j.enbuild.2017.03.007

22. Gorner, P., Witschger, O., Roger, F., Wrobela, R. and Fabriesa, J.F. (2008). Aerosol sampling by annular aspiration slots. J. Environ. Monit. 10: 14371447. DOI: http://dx.doi.org/10.1039/B802881H

23. Zaripov, S.K., Gilfanov, A.K. and Maklakov, D.V. (2010). Numerical study of thin-walled sampler performance for aerosols in low windspeed environments. Aerosol Sci. Tech. 44(2):152-160. DOI: https://doi.org/10.1080/02786820903447214

24. Gil'fanov, A.K., Zaripov, S.K. and Maklakov, D.V. (2009). Calculation of particle concentration in the problem of aerosol aspiration into a thin-walled tube. Fluid Dyn. 44 (6): 873-881. DOI: https://doi.org/10.1134/S0015462809060106

25. Averkova, O.A., Logachev, K.I., Gritskevich, M.S. and Logachev, A. K. (2017). Ventilation of Aerosol in a Thin-Walled Suction Funnel with Incoming Flow. Part 1. Development of Mathematical Model and Computational Algorithm. Refract. Ind. Ceram. 58(2): 242-246. DOI: https://doi.org/10.1007/s11148-017-0088-x

26. Averkova, O.A., Logachev, K.I., Gritskevich, M.S. and Logachev, A. K. (2017). Ventilation of

Aerosol in a Thin-Walled Suction Funnel with Incoming Flow. Part 2. Dynamics of Dust Particles. Refract. Ind. Ceram. 58: 343-347. DOI: https://doi.org/10.1007/s11148-017-0107-y

27. Logachev K.I., Ziganshin A.M., Averkova O.A., Simulations of dust dynamics around a cone hood in updraft conditions, Journal of Occupational and Environmental Hygiene (2018), DOI: 10.1080/15459624.2018.1492137

28. Logachev K.I., Ziganshin A.M., Averkova O.A., On the resistance of a round exhaust hood, shaped by outlines of the vortex zones occurring at its inlet, Build. Environ. 151 (2019) 338-347. doi:10.1016/j.buildenv.2019.01.039.

REFERENCES

1. Huang, Y., Wang, Y., Liu, L., Nielsen P.V., Jensen, R. L. and Yan F. (2015). Reduced-scale experimental investigation on ventilation performance of a local exhaust hood in an industrial plant. Build. Environ. 85: 94-103. DOI: 10.1016/j.buildenv.2014.11.038

2. Huang, Y., Wang, Y., Liu, Nielsen, P.V., L. Jensen, R.L. and Yang, X. (2017). Performance of constant exhaust ventilation for removal of transient high-temperature contaminated airflows and ventilation-performance comparison between two local exhaust hoods. Energ. and Buildings. 154: 207-216. DOI: 10.1016/j.enbuild.2017.08.