CC BY
27
УДК: 53.06
А. А. Цикал
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НАГРЕВА ГРАФИТОВОГО АТОМИЗАТОРА В АТОМНО-АБСОРБЦИОННОЙ СПЕКТРОФОТОМЕРИИ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS FLUENT
Аннотация
Разработана вычислительная модель графитового атомизатора в программном комплексе Ansys Fluent, позволяющая воспроизводить опыты с различными параметрами и получать при этом достоверные данные. Получены данные по распределению температур при нагреве графитового атомизатора.
Ключевые слова:
графитовый атомизатор, Ansys Fluent, динамика нагрева.
A. A. Tsikal
MODELING OF HEATING PROCESSES GRAPHITE ATOMIZER IN ATOMIC ABSORPTION SPECTROPHOTOMETRY USING ANSYS-FLUENT SOFTWARE
Abstract
Computational model of a graphite atomizer created in software Ansys-Fluent. She allows to reproduce the experiments with different parameters and to receive the correct data. Information about temperature received by heating graphite atomizer.
Keywords:
graphite atomizer, Ansys-fluent, heating dynamics.
Введение
На сегодняшний день атомно-абсорбционный анализ получил широкое распространение в практике определения содержания вещества в той или иной среде. Метод охватывает почти все области применения: экологию, геологоразведку, научные исследования, криминологию, растениеводство, медицину и др. Использование атомно-абсорбционного метода позволяет содержательно получить информацию о процессах, происходящих в поглощающем слое, о температуре и элементарном составе паровой фазы. Атомно-абсорбционный анализ является высокоперспективным и процветающим методом исследования физических и химических свойств металлов и сплавов, горных пород, почв, грунтов. С его помощью можно получить данные о составе окружающей среды, нпример, поверхностного слоя снега заполярных областей, водных рек и озер Мурманской обл.
В данной работе будет рассматриваться электротермический графитовый атомизатор. Актуальность темы исследования состоит в том, что чувствительность электротермического атомизатора атомно-абсорбционный анализа зависит от его конструкции, температурной программы (скорости нагревания и температуры) и объема пробы. Поэтому целью данной работы является изучение динамики нагрева графитового атомизатора, ее достижение позволит более полно изучить атомно-абсорбционный спектральный анализ и получить сведения для дальнейшего исследования процесса атомизации.
Материал и методика исследований
Печь ограниченного объема — общераспространенный тип электротермического атомизатора, работает в инертной атмосфере. Задача печи заключается в быстром нагреве до определенной температуры (от 20 до 3000 °С) за несколько секунд.
Методика исследований заключается в моделировании процессов нагрева графитового атомизатора в программном комплексе Ansys Fluent. Модель в программном комплексе Ansys Fluent состоит из следующих компонентов: системы уравнений, расчетной геометрии, начальных, граничных и объемных условий.
1. Система уравнений — это уравнения, описывающие процесс нагрева графитового атомизатора. Закон Фурье — основной закон теплопроводности. Закон Навье — Стокса является законом, состоящим из дифференциальных уравнений в частных производных, необходим для описания движения жидкости или газа, особенно для моделирования процессов, происходящих в природе. Количественную оценку теплового действия электрического тока дает закон Джоуля — Ленца. Уравнение турбулентности позволяет определить характер течения.
2. Расчетная геометрия — геометрия объекта, для которого будут производиться расчеты.
3. Начальные условия — распределение параметров в объекте в начальный момент времени, например, температура, давление.
4. Граничные условия — условия на границе тела и окружающей среды, необходимые для определения взаимодействия друг с другом.
5. Объемные условия — условия, определяющие физические свойства материала (объема).
Построение геометрии модели происходит в программе GAMBIT. На рис. 1 показана полная сборка атомизатора.
Рис. 1. Трехмерная модель атомизатора в программном обеспечении GAMBIT
Объемные условия для аргона и пирографита взяты из справочника В. Н. Зубарева, А. Д. Козлова.
Результаты и их обсуждения
Получение результатов нагрева атомизатора в программе СОМБОЬ. На рис. 2 показано распределение температур при нагреве атомизатора в момент ^ = 0 с, на рис. 3 — распределение температур при нагреве атомизатора в момент ^ = 5 с. Из рисунков видно, что за 5 с графитовый атомизатор разогревается от комнатной температуры до температуры, равной 2643 °С. Также показано, что платформа с печью имеет температуру, намного превышающую температуру электродов.
Рис. 2. Распределения температур при нагреве атомизатора в момент ^ = 0 с
Мах: 2643.197
1 ..flft'kd
1 iiiH'JK а llliil
|Щ| IjgggSSSgBI 1 III
I
Рис. 3. Распределения температур при нагреве атомизатора в момент ^ = 5 с
Получение результатов нагрева атомизатора в программе Ansys Fluent. На рис. 4 показано распределение температуры в момент t = 0,155 с. Распределение скоростей газообразной среды показало, что наибольшее значение по скорости приходится на дозировочное отверстие. Из результатов моделирования известно, что наибольшее давление в определенный момент времени соответствует месту наибольшей скорости, то есть дозировочному отверстию.
■
Contours of Static Temperature (k) (Time=1,5500e-01)
Рис. 4. Распределение температуры в программе Ansys Fluent
Выводы
Изучив теоретические основы процесса атомной абсорбции, уделяя при этом особое внимание графитовому атомизатору и его конструктивным особенностям, автор статьи разработал вычислительную модель графитового атомизатора в программном комплексе Ansys Fluent. Эта модель позволит воспроизводить опыты с различными параметрами газообразной среды и получать при этом достоверные данные по температуре, давлению, распределению скоростей, а также поможет наиболее полно изучить процессы, происходящие в атомизаторе, и выявить ряд скрытых возможностей метода атомно-абсорбционного анализа.
Литература
1. Блох А. Г., Журавлев Ю. А. Теплообмен излучением. М.: Энергоатомиздат, 1991.
2. Варгафтик Н. Б., Филиппов Л. П. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов. М.: Энергоатомиздат, 1990.
3. Зубарев В. Н., Козлов А. Д. Теплофизические свойства технически важных газов при высоких температурах и давлениях. М.: Энергоатомиздат, 1989.
4. Кузяков Ю. Я., Семененко К. А., Зоров Н. Б. Методы спектрального анализа. М.: Изд-во МГУ, 1990.
5. Львов Б. В. Атомно-абсорбционный спектральный анализ. М.: Наука, 1966.
Сведения об авторе Цикал Анита Александровна
студент I курса магистратуры («Техническая физика»), Мурманский арктический государственный университет, г. Апатиты E-mail: 89533072508@mail.ru
