CC BY
57
УДК 533.6:628.5
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕВЫХ ТЕЧЕНИЙ В АСПИРАЦИОННОМ УКРЫТИИ С ЩЕЛЕВЫМИ НЕПЛОТНОСТЯМИ1
O. А. АВЕРКОВА В.Ю. ЗОРЯ К.И. ЛОГАЧЕВ
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова
Построены поля скоростей и давления внутри аспирационного укрытия на основе численного решения осредненного по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса и использования программы Fluent.
Ключевые слова: вычислительная гидродинамика, осреднен-ное по Рейнольдсу уравнение Навье-Стокса, программа Fluent, аспи-рационное укрытие.
e-mail: [email protected]
Введение. Системы аспирации служат для предотвращения загрязнения помещений пылевыми выбросами путем локализации пылевыделений с последующей транспортировкой по воздуховодам и очисткой загрязненного воздуха в пылеочистных аппаратах. Основным устройством для локализации выбросов пыли является аспирационное укрытие, исключающее вынос пыли из зоны ее образования в окружающее пространство. Для проектирования оптимальных аспирационных укрытий необходимы наиболее точные сведения о характеристике воздушных течений и поведении аэрозольных частиц внутри этих укрытий. Поэтому проблеме моделирования пылегазовых потоков в аспирационном укрытии посвящено большое количество научных трудов. Аэродинамику внутри укрытия исследовали в плоском приближении, используя метод гиперболического приближения, метод граничных интегральных уравнений [1-2], метод дискретных вихрей [1, 3-8], путем решения уравнения Навье-Стокса в приближении Буссинеска-Обербека [9]. Отметим, что моделирование динамики вихревых течений в аспирационном укрытии со щелевыми неплотностями посвящена работа [10], но применяемый в ней метод граничных интегральных уравнений не позволил описать вихревые течения, которые наблюдаются в реальности
Данная статья посвящена моделированию двумерных воздушных потоков внутри аспирационных укрытий с учетом поступления воздуха через щелевые неплотности на основе метода RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) и программного продукта Fluent.
1. Основные уравнения метода RANS
Для моделирования методом RANS использовалась стандартная модель к — S турбулентности, осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса и неразрывности:
dp + d(pu) = 0 dt дх
d(pU) + d(p uUj)
Эх.
dt
dp
дх.
= —— +
д_
дх.
(
ди ди.
дх
Кд^
2 ди,
— о.. —-
3 j дх, j
дх
(—puU'),
где все величины скорости и, давления р, плотности р осредненные по времени. Напряжения Рейнольдса —ры\ы' ] определяются в рамках стандартной к — 8 модели турбулентности [11-12]:
д
+
ц
1 Работа выполнена при грантовой поддержке РФФИ (проект № 08-08-13687-офи_ц) и международной обменной программы Fulbright.
д(рк) + д(ркиі) _ д
ді
дх
дх.
ґ
Ц
Л
д(рє) д(рємі) _ д ді дх дх.
ц +
Ц
а
а
дє
дк
Ц +
V ак )^х]
\
дх
Рє + Ті
д(иі) дх. '
дх
Т1 _ -р«,« I _ РЦ
є / 1
ґ ди, ди.Л
дх.
V 1
є диі є
+ С1є —Тії-----------С-єр—,
1є к 1 дх 2еН к
дх
- - рк8і|., 3 1
к
Ці _ рСц-, Сіє _ 1,44; С-є _ 1,92; Сц _ 0,09; ак _ 1,0; 0є _ 1,3. є
2. Моделирование двумерного течения в аспирационном укрытии, с учетом подсосов воздуха через неплотности
Представляет интерес исследование вихревой структуры течения в зависимости от размеров укрытия и поступления воздуха через неплотности укрытия. Фиксировались следующие параметры (рис.1): CD = RS = 0,1м; DM = NR = EF = OP = 0,2м; CB = ST = 0,63м; 5 = 0,03м; AB = TK = 0,03м; WE = PL = 0,8м; ED = FM = ON = PR =
0,14м; WQ = LH = 0,8м; Vl = 2м/с; ^ изменялась от 0 до 0,075 м/с с шагом 0,015
м/с. Величина MN изменялась от 0,2 м до 1,2 м с шагом 0,2 м. Длина козырька составляла 0; 0,02 м; 0,04 м; 0,06 м.
Рис. 1. Расчетная область течения
2
В аспирационном укрытии (рис. 2) без учета подсосов воздуха через неплотности наблюдаются две крупномасштабные вихревые структуры: слева от приточного отверстия (1-й вихрь) и справа от него (2-й вихрь). Оба вихря образуются в результате срыва потока с острых кромок приточного отверстия. Первый вихрь резко увеличивается в размерах, как только через неплотности начинает поступать воздух (V = 0,015 м/с) и центр его смещается вниз. При увеличении скорости подсосов воздуха увеличивается отрывная зона, возникающая при срыве потока с острых кромок неплотностей. Таким образом, образуется третий вихрь правее левой неплотности. С его увеличением 1-й вихрь уменьшается и смещается вновь вверх. Четвертый вихрь, образующийся левее правой неплотности, по размерам значительно больше 3-го вихря. Заметим также, что, если без неплотностей, поток воздуха между приточным и вытяжным отверстием наблюдается практически по всему укрытию от верхней стенки до нижней, то при увеличении объема воздуха, поступающего через неплотности, этот поток отодвигается от пола и, например, при V = 0,075 м/с занимает по высоте приблизительно половину укрытия. Наименьшая величина статического давления наблюдается во второй вихревой области, которая еще больше уменьшается при увеличении скорости подсосов воздуха. Падение статического давления наблюдается и в
2010. № 1 (72). Выпуск 13/1
остальной области аспирационного укрытия, что связано с увеличением скорости воздуха и корреспондируется с зависимостью, которая следует из уравнения Бернулли: сумма статического давления и динамического напора есть величина постоянная вдоль линий тока или вихревых линий.
V, = 0,000
■ 3.17е+00
3.016+00
2.85*400
2.69е+00
2.536400
2.37е400
2.22е+00
2.06*400
1 906400
1 746400
1.56е+00
1,426400
1_27е+00
1 116400
9 50е-01
7 92е-01
6-336-01
. 4.75е-01 3.176-01 1.536-01 ОООе+ОО
г3 = 0,015
У3 = 0,030
3.30е+00
3-13е400
2 976400
гвое-юо
2 646400
2 476400
2.316400
2146400
1 936400
1.816400
1 65е400
1 436400
1 32е400
1 156400
9.8Эе-01
8 246-01
6.506-01
4.95е-01
3 306-01
1.65е-01
0 00е+00
у3 = 0,045
= 0,075
Рис. 2. Линии тока (цветовая гамма соответствует скорости в м/с) в аспирационном укрытии при МЫ = 0,2 м
Описанная структура течения наблюдается и для других размеров укрытия (рис. 3-5). Отличие лишь в расположении основного потока воздуха между приточным и вытяжным отверстием.
а)
б)
Рис. 3. Линии тока (цветовая гамма соответствует скорости в м/с) в аспирационном укрытии а) при МЫ = 0,4 м; б) при МЫ = 0,6 м
Этот поток прижимается к нижней стенке укрытия. Наибольшая скорость наблюдается внизу укрытия по центру между приточным и вытяжным отверстиями. С увеличением длины укрытия размеры второй вихревой области значительно возрастают. При установке на входе в неплотности козырьков перпендикулярно неплотности (рис. 5 б) вихревая структура течения не изменяется, однако точка отрыва меняет свое положение. Она в этом случае располагается на конце козырька. При увеличе-
2010. № 1 (72). Выпуск 13/1
нии скорости в неплотности образуется зона разрежения под козырьком. Скорость при этом увеличивается, поскольку зона эффективного всасывания уменьшается. Заметно также падение давления на входе в неплотность и после него, что свидетельствует о повышении величины коэффициента местного сопротивления. Наибольший перепад давления наблюдается при длине козырька примерно в половину высоты неплотности, что корреспондируется с экспериментальными наблюдениями доцента Ю.Г. Овсянникова.
а)
б)
Рис. 4. Линии тока (цветовая гамма соответствует скорости в м/с) в аспирационном укрытии а) при МЫ = 0,8 м; б) при МЫ = 1 м
Заметим, что в правой неплотности такой перепад давлений больше чем в левой. Таким образом, подсосы воздуха через неплотность ближайшую к всасывающему отверстию аспирационного укрытия больше чем неплотность, ближайшую к приточному отверстию. Отсюда следует вывод, что уплотнять необходимо, прежде всего, неплотности первого вида.
а) б)
Рис. 5. Линии тока (цветовая гамма соответствует скорости в м/с) в аспирационном укрытии при МЫ = 1,2 м: а) без козырька; б) с козырьками АВ = ТК = 0,06 м
Рис. 6. Линии тока на входе в левую и правую неплотности при установке дополнительного вертикального козырька длиной 0,03 м, у3 = 0,03 м/с, МЫ = 1,2 м;
5 = 0,03 м и расстоянии между козырьками 0,03 м
2010. № 1 (72). Выпуск 13/1
При увеличении высоты неплотности величина скорости падает. Вихревая область в правой неплотности уменьшается и при 8 = 0,12 м течение воздуха в обеих неплотностях имеют схожую картину.
При установке козырька наблюдается еще один вихрь - над козырьком, который образуется в результате срыва потока с гладкой поверхности вертикальной стенки укрытия. При увеличении длины козырька структура течения изменяется мало.
Установка вертикального козырька (рис 6) дает возможность отрывную зону под козырьком увеличить, что свидетельствует о повышении гидравлического сопротивления входа в неплотность.
Заключение. Исследованы двумерные вихревые течения внутри аспираци-онного укрытия с учетом поступления воздуха через неплотности. Построены поля скоростей и статического давления. Определена вихревая структура течения в зависимости от геометрических размеров укрытия и объемов воздуха поступающего через неплотности. Установлено, что наибольшие подсосы воздуха наблюдаются в неплотности ближайшей к вытяжному отверстию аспирационного укрытия. При установке козырька в щелевых неплотностях аспирационных укрытий перепад статического давления до входа в укрытие и после возрастает и является максимальным при длине козырька примерно в половину высоты неплотности, что корреспондируется с экспериментальными исследованиями.
Литература
1. Логачев И.Н. Аэродинамические основы аспирации. [Текст] / И.Н.Логачев, К.И.Логачев. Санкт-Петербург: Химиздат. - 2005. - 659с.
2. Logachev K.I. Computational Modeling of Air-and-coal Flows next to Suction Holes / K.I.Logachev, I.N.Logachev, A.I.Puzanok // CD-proceedings of European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering ECCOMAS 2004, Jyvaskyla, 24—28 July 2004, 19 pages.
3. Логачев К.И. Численное исследование поведения пылевой аэрозоли в аспираци-онном укрытии [Текст] / К.И.Логачев, И.НЛогачев, А.И.Пузанок // Известия вузов. Строительство. 2006. - №5. - С.73-78.
4. Логачев К.И. Компьютерное моделирование пылегазовых потоков в пульсирующих аэродинамических полях [Текст] / К.И.Логачев, А.И.Пузанок, В.Ю.Зоря // Вычислительные методы и программирование. 2006. Т. 7, № 1. - С. 195-201.
5. Konstantin I Logachev. Numerical study of aerosol dust behaviour in aspiration bunker / Konstantin I Logachev, Aleksei I Puzanok, Violetta U Zorya. // CD-proceedings European Conference on Computational Fluid Dynamics ECCOMAS CFD 2006, Egmond aan Zee, The Netherlands, September 5-8, 2006,11 pages.
6. Аверкова О.А. Моделирование пылегазовых потоков вблизи всасывающего отверстия в многосвязной области с вращающимся цилиндром [Текст] / О.А.Аверкова // Вычислительные методы и программирование. 2007. Т.8, №1. -С.33-38.
7. Аверкова О.А. Компьютерное моделирование циркуляционных течений в замкнутом помещении на основе метода дискретных вихрей [Текст] / О.А.Аверкова, В.Ю.Зоря, К.И.Логачев, Р.Ю.Овсянников // Вестник БГТУ им.В.Г.Шухова. - 2007. - №3. - С.95-102.
8. Аверкова О.А. Особенности поведения пылевых аэрозолей в аспирационном укрытии стандартной конструкции [Текст] / О.А.Аверкова, В.Ю.Зоря, К.И.Логачев // Химическое и нефтегазовое машиностроение, №11, 2007.-С.34-36.
9. Шаптала В.Г. Математическое моделирование в прикладных задачах механики двухфазных потоков. Учебное пособие. Белгород: Изд-во БелГТАСМ. 1996. - 103 с.
10. Аверкова, О.А. Компьютерное моделирование пылевоздушных течений вблизи местных вентиляционных отсосов от вращающихся цилиндрических деталей [Текст] /Аверкова О.А.// Вестник Воронежского государственного технического университета. -2008. - Том 4, №1. - С. 27-32.
11. Fluent 6.1 Users' Guide, http://202.185.100.7/homepage/fluent/ html/ug/main_pre.htm.
12. J. M. McDonough, Introductory Lectures on Turbulence: Physics, Mathematics and Modeling http://www.engr.uky.edu/ ~acfd/lctr-notes634.pdf.
MODELING OF FLOWS AN ASPIRATION CHAMDER
O. A. AVERKOVA V.U. ZORYA,
K. I. LOGACHEV
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov
Solid fields of speed and pressure are constructed in aspirating containment on the basis of numerical decision on RANS-Reynolds Averaged Navier-Stokes and the use of Fluent program.
Key words: CFD, RANS, Fluent, aspiration chamber.
e-mail: [email protected]
