CC BY
15
8. Кувыкин В.И., Кувыкина Е.В. Согласование данных и диагностика неисправности приборов в системах измерения// Прикладная механика и технологии машиностроения. - 2009. - № 2. - С.55 - 61.
9. Kom G. A., Korn T. M. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. - New York: McGraw-Hill Book Company, 1968. - 1130 p.
Список литературы на английском языке / References in English
1. Birchal1 V. S., Passos M. L. Modeling And Simulation Of Milk Emulsion Drying In Spray Dryers // Brazilian Journal of Chemical Engineering. - 2005. - V. 22. - N. 02. - P. 293 - 302.
2. Jurendic T. Applicability of Simple Mass and Energy Balances in Food Drum Drying // J. Basic. Appl. Sci. Res. -2014. - N. 4(1) - P.128-133.
3. Narasimhan S., Jordache C. Data reconciliation and gross error detection. - Houston: Golf Publishing Company, 2000. -406 p.
4. Kuvykin V.I. Ispol'zovanie modelej biznes-processov NPZ v sistemah planirovanija i uchjota [Refinery busyness process models application in plan and accounting systems]. // Mir nefteproduktov. Vestnik neftjanyh kompanij [World of Oil Products. The Oil Companies' Bulletin]. - 2013. - № 7. - P. 47-48. [in Russian]
5. Kuvykin V.I., Meleshkevich M.A., Naumova S.V. Sistemnyj podhod k optimizacii upravlenija smesheniem [Systems-based approach to optimizing the blending management] // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. [International research journal]. - 2016. - № 10-2 (52). - P. 133-136. [in Russian]
6. Kuvykin V.I. Provodjashhij cilindr v osesimmetrichnom magnitnom pole [Conductive cylinder in an axially symmetric magnetic field] // Problemy Mashinostraeniya i Nadezhnos'ti Mashin [ Journal of Machinery Manufacture and Reliability] 1998. №2. P. 123-129. [in Russian]
7. Kirsanov M.N. Grafy v Maple. [Graphs in Maple]. M.: Izd-vo FIZMATLIT, 2007. 168 p. [in Russian]
8. Kuvykin V.I., Kuvykina E.V. Soglasovanie dannyh i diagnostika neispravnosti priborov v sistemah izmerenija [Data reconciliation and faults diagnosis of devices in measurement systems] // Prikladnaja mehanika i tehnologii mashinostroenija [Applied mechanics and mechanical engineering]. - 2009. - № 2. - P.55 - 61. [in Russian]
9. Korn G. A., Korn T. M. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. - New York: McGraw-Hill Book Company, 1968. - 1130 p.
DOI: 10.18454/IRJ.2016.54.053 Курбангалеев А.А.
Старший преподаватель, кафедры Теоретической механики и Сопротивления материалов, ФГБОУ ВО Казанский национальный исследовательский технологический университет МЕТОД 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА СМЕШЕНИЯ НЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ В ТРУБЧАТЫХ КАНАЛАХ ДИФФУЗОР-КОНФУЗОРНОГО ТИПА
Аннотация
В статье приведены результаты 3D моделирования и численных экспериментов процессов смешения потоков ньютоновских жидкостей в трубчатых каналах диффузор - конфузорного типа. Изучены модели подобной задачи специалистов данной области на примере 2D модели для трубчатого канала диффузор - конфузорного типа, моделирование которых основывалось на разработке, формировании и численных экспериментах 2D модели. Показаны и обоснованы недостатки данного метода моделирования. Автором статьи для решения задачи предложено формирование 3D модели. В качестве инструмента для реализации решения поставленной задачи предложен программный комплекс «Fluent».
Ключевые слова: турбулентное движение, ньютоновские жидкости, процессы смешения жидкостей, диффузор -конфузорный канал.
Kurbangaleev A.A.
Senior teacher, Department of Theoretical Mechanics and Strength of Materials, FGBOU in Kazan national Research Technological University METHOD 3D DESIGNS OF PROCESS OF MIXING OF NEWTONIAN LIQUIDS IN TUBULAR CHANNELS
OF THE DIFFUSER-CONFUSER TYPE
Abstract
To the article results are driven 3D designs and numeral experiments of processes of mixing of streams of newtonian liquids in tubular channels diffuser - confuser type. The models of similar task of specialists of this area are studied on an example 2d models for a tubular channel diffuser - confuser type, a design of that was base on development, forming and numeral experiments 2d models. The lacks of this method of design are shown and reasonable. The author of the article for the decision of task is offer forming 3d models. As an instrument for realization of decision the set problem a programmatic complex "Fluent" is offered.
Keywords: turbulent motion, newtonian liquids, processes of mixing of liquids, channel of the diffuser-confuser type.
Существует много численных методов, моделирующих течение турбулентных потоков смешивающихся ньютоновских жидкостей в трубчатых каналах. В ряде работ (Минскер К.С., Шлихтинг Г.А., Каминский В.А., Хинце И.О., Фафурин В.А., Тахавутдинов Р.Г., Данилов Ю.М., Мухаметзянова А.Г., Петровичева Е.А., Захаров В.П. и др.) проводилось исследование турбулентных течений смешивающихся жидкостей в канале турбулентного трубчатого аппарата, но задача в этих работах ставилась как осесимметричная [1,2] и моделирование для неё проводилось с помощью 2D модели. Следовательно, при 2D моделировании процесса смешения компонентов ньютоновских
жидкостей в канале, организация ввода второго смешивающего компонента была возможна только как через кольцевую щель или как сопутствующего второго потока. 2Б моделирование процесса смешения проводилось в канале малогабаритного турбулентного трубчатого аппарата со следующими параметрами: смешение в условии отсутствия радиального температурного и концентрационного градиента, скорость течения основного потока У=0,3+1 м/с, Я=025+0,06 м; Ь=1-1,5 м., подача потока катализатора перпендикулярно к потоку мономера, и тип трубчатых каналов диффузорного - конфузорно типа (рис.1).
Рис. 1 - Трубчатый канал диффузор-конфузорного типа
В промышленности существуют аппараты с вводом второго смешивающего компонента через струйные форсунки или их систему, но математического описания решения данной организации подвода компонентов в канал до настоящего момента ещё не было.
Автором было определено, что можно при 3Б моделировании процесса смешения смоделировать ввод смешивающихся жидкостей через струйные форсунки или форсуночные головки, которые позволяют даже в трубчатом канале постоянного сечения обеспечить довольно высокое качество смешения. Система струй в этих случаях играет роль эффективного турбулизатора. В работе показана эффективность струйного подвода с помощью радиальных струйных форсунок и форсуночных головок. Эта эффективность смешения осуществляется за счёт факта сильного возрастания характеристик турбулентности при взаимодействии струи, истекающей из форсунки в сносящем потоке, и вихревой зоны возвратного течения, возникающей при внезапном расширении канала. Данный процесс можно смоделировать только путём численного 3Б эксперимента смешения жидкостей в канале.
Эффективность смешения в трубчатом канале, будем определять среднеобъёмными значениями коэффициента перемешанности уа, который можно связать со скоростью диссипации кинетической энергии турбулентности е, а также потерями полного давления.
= 1"
V Ш Iе (W) - С0
Коэффициент перемешанности служит для качественной оценки смешения. Он рассматривался как один из
(У а- средний по объёму коэффициент
важных критериев эффективности канала - степень перемешивания перемешанности), С0 - заданная необходимая концентрация.
Задачей технологии 3D моделирования было построение трёхмерной модели процесса смешения турбулентных потоков ньютоновских жидкостей в трубчатых каналах диффузорного - конфузорно типа. Строилась математическая модель. Моделирование проводилось в программном комплексе FLUENT 6.3.
Смесь рассматривалась как сплошная среда со средними зависящими от локальных значений: концентрации -С(x, y, z), p(x, y, z) - плотность и молекулярная вязкость - Например, если смешиваются два компонента жидкостей, то
P1P2 ,, _ /1/2
P( x, ^ z) =
Cpi + (1 - С )P2
/ =
С/ + (1 - С)/2
где , Ц2, Р\, Р2 - вязкости и плотности первого и второго компонента соответственно. При турбулентном движении локальные значения скорости движения среды по Рейнольдсу представляются в виде суммы скоростей:
скорости осреднённые по времени и пульсационные скорости и — и + и . Осреднение скоростей по времени - по Фавру:
_ 1 '
u =
ih - t2 К
J udt
За основу модели были взяты уравнения Рейнольдса для турбулентного массопереноса:
/
P
du — ди, —L + и —L
dt J дх.
dp д дх дх,
ди.
л
дх,
pu
j j
ди'
i
дх,
д Uj
дх,
= 0,
д и;
дх,.
= 0
дС
_ дС ^ д С — + ut-= D--
dt J дх дх 2
Здесь и - ья компонента вектора скорости, 7 = {х, У, 2}, p - давление пульсации, О - коэффициент
диффузии, х - j-я ось декартовой системы координат.
^ , ди', д , В уравнении турбулентного движения присутствует дивергент напряжении — р —- =-т , где:
7 дх} дх} 7
f f ' Л
и V и w и
=-р uV V2 wV
u'w' v'w' w2
где и , V и - пульсационные составляющие скорости относительно осеИ X, у, 2 соответственно. Полный тензор напряжении:
= - М/ + /
fdu. дй^ —- + —:
дх. дх.
V
- /
По теории Буссинеска вязкость при турбулентном движении: Ц = Ммол + /^т , тогда:
Л
Гди,.
Tif = /
■ + ■
ди,.
2 к2
, /t = C/P~
Здесь — символ Кронекера.
Система уравнении РеИнольдса для турбулентного движения получается не замкнутой относительно неизвестных пульсационных компонентов. Для замыкания используют модели турбулентности [3]. В работе были применены:
1. Стандартная (к — £) модель;
2. Двухслойная RNG модель;
3. Двухслойная SST модель МеПег F.R.;
4. Стандартная (к — со) модель;
5. Стандартная (к — со) модель с изменёнными, по алгоритму, предложенному автором статьи, коэффициентами при членах уравнений, отвечающих за генерацию кинетической турбулентности - к и вихревой диссипации - О .
В качестве граничных условий для трубчатого канала на (рис. 2):
Рис. 2 - Граничные условия для трубчатого канала
В входном сечении канала («вход 2» - форсуночная головка, «вход 1») задаются: профили скорости, начальные параметры турбулентности и объёмные доли, используемых компонентов вида р(X, у) :
Вход 1: (Uj, /, Q, к1,£1) = р(X, y)j,
Вход 2: (u2,/2, С2, k2, £2) = р(X У)2
В выходном сечении задаются «мягкие» граничные условия установившегося течения - распределение первых производных гидродинамических параметров типа:
| = д(у) , в частности д(y) = 0.
дУ )
В области стенок использовались различные пристеночные функции. Наиболее подходящая: неравновесная функция стенки (Non-Equilibrium Wall Functions - NEWF), которая для турбулентных присоединяющихся течений стеснённых стенками, каковыми являются потоки в каналах цилиндрического и диффузор - конфузорного типа, оказалась наиболее близко, описывающая процесс смешения.
Нужно также отметить, что при численном 3D моделировании гидродинамических процессов в трубчатых каналах возникает одна из проблем, связанная с качеством сеточной области (сетки), заменяющей физическую область. Поэтому прежде чем переходить к расчётам процесса смешения жидкостей в трубчатом канале в
программной среде «Fluent» следует подготовить сеточную область [4,5]. Целью такой подготовки является выяснение и устранение условий, позволяющих уменьшить влияние сетки на результаты численного моделирования.
На (рис. 3 (а)) приведён фрагмент поперечного сечения сеточной области, построенной для применения конечно-элементного метода, на котором можно усмотреть её несимметричность. Это может быть причиной нарушения симметрии потока в осесимметричных каналах. Для устранения возникающей асимметрии можно сделать сетку симметричной относительно координатных плоскостей за счёт включения опций зеркального отображения и поворота (б). Такое преобразование в значительной степени способствует устранению негативного влияния технологических погрешностей, возникающих при решении.
Рис. 3 - Сетка в поперечном сечении без включения опций зеркального отображения (а) и с ними (б)
Таким образом, при использовании 3D моделей для получения достоверных результатов при моделировании течений в осесимметричных каналах необходимо, чтобы решение было получено на симметричной в поперечном сечении сетке. Кроме того, решение должно иметь т.н. сеточную независимость, т.е. должно быть устойчиво по отношению к изменению параметров сеточной области (минимальный и максимальный размеры ячейки).
После того как возможную ассиметрию, которая могла возникать из-за несовершенства сеточной области, удалось устранить, переходят к моделированию процесса смешения турбулентных потоков ньютоновских жидкостей в каналах диффузор-конфузорного типа.
В численном опыте (рис. 4) - 3D моделирование, в канал диффузор-конфузорного типа основным потоком поступает первый компонент - вода: ui = 0.5 м/с, Reí = 2*104 , второй компонент через струйную радиальную форсунку размером 0.1d - этиловый спирт: u2 = 1 м/с, объёмная концентрация воды: C=0.677, отношение расходов компонентов m2/m1=0.226. Коэффициент перемешанности получается на выходе: уа= 0.923.
Рис. 4 - Поле концентрации в канале диффузор-конфузорного типа
Если организовать ввод второго компонента - спирта через систему струйных форсунок из 4 штук, расположенных симметрично по сечению, коэффициент перемешанности увеличивается до значения уа= 0.943. При количестве форсунок из 8 штук - уа= 0.956. Далее, увеличивая число форсунок, коэффициент перемешанности возрастает, но до своего максимального значения, при проведенных опытах: уа=0.973 (18 форсунок рис. 5). Объясняется это тем, что при радиальном струйном подводе второго компонента, обеспечивается высокое качество смешения. Система струй играет роль эффективного турбулизатора. При количестве же форсунок более 30 результат численного моделирования смешения ухудшается и становится сходным с результатом моделирования смешения как при организации ввода второго смешивающего компонента через кольцевую щель: уа = 0.903, то есть как при 2Б моделировании.
16 1« 20 22 24 Ж 28 30 32
Число форсунок
Рис. 5 - Зависимость числа степени перемешивания от числа струйных радиальных форсунок
Таким образом, на основании результатов вычислительных экспериментов показана необходимость 3D моделирования течений в трубчатых каналах с струйным подводом второго компонента, что обеспечивает довольно высокое качество смешения. Струйные форсунки следует располагать симметрично по сечению канала, и нужно учитывать, что степень перемешивания зависит от числа форсунок.
Список литературы / References
1. Петровичева Е. А. Турбулентное течение смешивающихся жидкостей в МТА химических производств (численное моделирование)/ Е. А. Петровичева // Диссертация к.т.н. г. Казань. - 2006.- С. 128.
2. Мухаметзянова А. Г. Малогабаритные трубчатые аппараты в производстве синтетического каучука / А. Г. Мухаметзянова // Автореферат диссертации к.т.н. г. Казань. -2002. - С. 18.
3. Menter F. R. Сравнение некоторых современных моделей турбулентной вихревой вязкости. (A Comparison of Some Recent Eddy - Viscosity Turbulence Models) // Trans. ASME. J. Fluids Eng.- 1996.- 118, №3. - С. 514-519.
4. Курбангалеев А. А., Тазюков Ф. Х., Лутфуллина Г. Н. Процесс подготовки сеточной области при 3D -моделировании малогабаритного трубчатого аппарата (МТА) как смесителя в программной среде Fluent / А. А. Курбангалеев, Ф.Х. Тазюков, Г.Н. Лутфуллина // Вестник Казанского технологического университета - 2013.- №21.-С. 242-245.
5. Курбангалеев А. А., Тазюкова А. Ф. Работа с сеточной областью в 3D - моделировании процесса турбулентного смешения жидкостей в трубчатом канале / А.А. Курбангалеев, А.Ф. Тазюкова // Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию Нижнекамского химико-технологического института «Проблемы и перспективы развития химии, нефтехимии и нефтепереработки» - 2014г. -№1. - С. 45-48.
Список литературы на английском языке / References in English
1. Petrovicheva E.A. Turbulentnoe techenie smeshivayuschihsya jidkostei v MTA himicheskih proizvodstv (chislennoe modelirovanie) [Turbulent flow mixing of liquids in chemical production MTA (numerical simulation)] / E.A. Petrovicheva // Dissertaciya k.t.n. g. Kazan [Dissertation of Ph.D. Kazan]. - 2006. P. 128. [in Russian]
2. Mukhametzyanova A.G. Malogabaritnie trubchatie apparati v proizvodstve sinteticheskogo kauchuka [Compact Tubular apparatus in the manufacture of synthetic rubber] / Mukhametzyanova AG // Avtoreferat dissertacii k.t.n. g. Kazan [Abstract of the dissertation Ph.D. Kazan]. - 2002. P. 18. [in Russian]
3. Menter F. R. Sravnenie nekotorih sovremennih modelei turbulentnoi vihrevoi vyazkosti [Comparison of some current models of the turbulent eddy viscosity. (A Comparison of Some Recent Eddy - Viscosity Turbulence Models)] / F. R. Menter // Trans. ASME. J. Fluids Eng.- 1996.- 118, №3. - S. 514-519. [in USA]
4. Kurbangaleev A.A., Tazyukov F.H., Lutfullina G.N. Process podgotovki setochnoi oblasti pri 3D - modelirovanii malogabaritnogo trubchatogo apparata (MTA), kak smesitelya v programmnoi srede Fluent [Process of preparing the grid area with 3D - simulation of compact tubular unit (AIT) as a mixer in a software environment Fluent] / A.A. Kurbangaleev, F.H. Tazyukov, G.N. Lutfullina // Vestnik Kazanskogo tehnologicheskogo universiteta [Bulletin of Kazan Technological University]. - 2013. № 21. P. 242-245. [in Russian]
5. Kurbangaleev A.A., Tazyukova A.F. Rabota s setochnoi oblastyu v 3D _ modelirovanii processa turbulentnogo smesheniya jidkostei v trubchatom kanale [Working with the grid area in 3D - simulation of turbulent mixing of liquids in a
20
tubular channel] / A.A. Kurbangaleev, A.F. Tazyukova // Materiali Mejdunarodnoi nauchno_prakticheskoi konferencii, posvyaschennoi 50-letiyu Nijnekamskogo himiko_tehnologicheskogo instituta «Problemi i perspektivi razvitiya himii, neftehimii i neftepererabotki» [Proceedings of the International scientific-practical conference dedicated to the 50th anniversary of Nizhnekamsk Institute of Chemical Technology "Problems and Prospects development of chemical, petrochemical and oil refining "].- 2014. №1. P. 45-48.
DOI: 10.18454/IRJ.2016.54.092 Николаев А.Н.1, Шариков Ю.В.2
1 Аспирант, 2профессор, доктор технических наук, доцент, Санкт-Петербургский Горный университет ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА PROFICY TROUBLESHOOTER ДЛЯ УСТАНОВЛЕНИЯ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ ВХОДНЫМИ И ВЫХОДНЫМИ ПЕРЕМЕННЫМИ ОБЖИГА НИКЕЛЕВОГО КОНЦЕНТРАТА В ПЕЧИ КИПЯЩЕГО СЛОЯ
Аннотация
В данной статье, с помощью программного продукта Proficy Troubleshooter, проведен анализ процесса обжига никелевого концентрата в печи Кипящего слоя. Также проведен статистический анализ архивных данных процесса. На основе производственных данных рассмотрено влияние загрузки кека в печь на температуру огарка. Рассмотрены основные зависимости качественных показателей обжига в печах Кипящего слоя. Определены влияющие на процесс обжига параметры. Предложена возможность использования температуры «течки» из печи Кипящего Слоя для расчета расхода огарка.
Ключевые слова: печь кипящего слоя, загрузка кека, температура огарка, Proficy Troubleshooter
Nikolaev A.N.1, Sharikov Y.V.2
Postgraduate student, 2Professor, PhD in Engineering, National Mineral Resources University (Mining University) APPLICATION OF PROFICY TROUBLESHOOTER SOFTWARE COMPLEX FOR RELATIONSHIP ESTABLISHING BETWEEN INPUT AND OUTPUT VARIABLES OF THE FIRING NICKEL CONCENTRATE IN
THE FLUIDIZED LAYER FURNACE
In this article, with the help of software Proficy Troubleshooter product, was analyzed nickel concentrate firing process in the fluidized layer furnace. Archive statistical data was analyzed Based on production data was examined relationship between the effect of loading the cake in an oven and a temperature of cinder. The main quality parameters depending on firing in fluidized layer furnaces were identified. The parameters influencing the roasting process were identified. It proposed the use of temperature of the fluidized bed calcine to calculate the flow rate.
Keywords: fluidized layer furnace, cake load, cinder temperature, Proficy Troubleshooter
Введение
В настоящее время существует множество инновационных предложений и методов, позволяющих значительно повышать качество различных производственных процессов, уменьшать статьи расходов, а также увеличивать экономический эффект производственного предприятия.
Для разработки таких нововведений и для обоснования своих выводов по тем или иным процессам в объекте, разработчикам, практически всегда необходимо моделирование этого объекта. Очень часто моделирование объектов происходит со значительными допущениями, в силу того, что процессы, проходящие внутри объекта - не изучены и взаимосвязь некоторых параметров остается неизвестной. Помимо неизученных связей, существуют также неконтролируемые возмущения системы. Такие возмущения остаются индивидуальными для каждого объекта, а значит, не могут быть обобщены с помощью какой либо модели.
Цель данной работы - это обработка архивных данных, полученных при обжиге никелевого концентрата в печи кипящего слоя, а также создание системы управления, основанной на установленных корреляционных зависимостях. Обработка архивных данных будет производиться посредством специализированного программного комплекса Proficy Troubleshooter, который позволяет: обработать данные до нескольких миллионов сэмплов; найти все корреляционные зависимости; построить статистическую модель; предложить регулирование выбранного целевого параметра.
Proficy Troubleshooter
Proficy Troubleshooter (далее PT) - это комплекс аналитических инструментов, которые позволяют извлекать знания из существующих производственных данных. Эти инструменты работают с архивной производственной выгрузкой и помогают идентифицировать причины существующих проблем, а также помогают предложить способы их предотвращения.
Proficy Troubleshooter (далее PT) используется и для дискретных, и для непрерывных процессов. Во время обработки данных в PT пользователь получает возможность визуализировать проблемы технологического процесса и причины их возникновения. Такие возможности появляются вследствие возможности моделирования и симулирования процесса с использованием архивных данных.
PT является дополнением к любым архивным программам. Любой производственный процесс хранит свои исторические значения, в какой либо базе данных. С помощью PT появляется возможность получать значительно больше ценных и полезных знаний из исторических данных
При помощи этого продукта пользователь может:
1. Рассчитать вероятные причины технологических проблем и вариаций;
2. Автоматически выводить технологические закономерности из данных;
