CC BY
40
УДК 62-9
А.Ю. Шурыгин
канд. техн. наук, доцент, кафедра технологии машиностроения, Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
А.В. Курненков
ассистент, кафедра технологии машиностроения, Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА УСТАНОВКИ
КЛАССИФИКАЦИИ АБРАЗИВНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ
Аннотация. Представлены результаты численного моделирования в ANSYS Fluent гидродинамики многофазных течений в перемешивающем устройстве установки классификации абразивного материала. Получены форма свободной поверхности жидкости, распределение поля скоростей в жидкости, положения частиц диаметрами 20 и 100 мкм в жидкости при заданных параметрах перемешивающего узла.
Ключевые слова: численное моделирование, многофазные течения, движение частиц, свободная поверхность, перемешивающее устройство, пропеллер.
A.Y. Shurigin, Arzamas Polytechnical Institute (branch) of Nizhnj Novgorod State Technical University n.a. R.E Alekseev»
A.V. Kurnenkov, Arzamas Polytechnical Institute (branch) «Nizhnj Novgorod State Technical University n.a. R.E Alekseev»
DEVELOPMENT OF THE CONSTRUCTION OF THE MIXING DEVICE INSTALLATION CLASSIFICATION
ABRASIVE MATERIAL BASED ON NUMERICAL SIMULATION
Abstract. The article presents the results of numerical simulation in ANSYS Fluent fluid dynamics of multiphase flows in the mixer device classification abrasive. Obtained form a free liquid surface, the distribution of the velocity field in the liquid, particles diameters positions 20 and 100 microns in a liquid at given parameters of the mixing device.
Keywords: numerical modeling, multiphase flow, the displacement of particles, free surface, mixer device,
propeller.
Установка для классификации абразивного материала позволяет проводить рекуперацию и классификацию абразивных зерен [1, 2]. Рекуперация заключается в извлечении дорогостоящих зерен сверхтвердых материалов для их повторного использования (при этом установка входит в состав системы очистки смазочно-охлаждающей жидкости). Классификации заключается в разделении зерен абразивного материала на фракции в зависимости от их размера и формы [3]. Принцип работы установки основан на использовании тонкопленочного течения жидкости и центробежного поля [4].
Основными составными элементами установки являются ротор, перемешивающее устройство и насос. В существующей конструкции установки каждый из указанных выше узлов обеспечен отдельным электродвигателем. В результате компоновка установки включает три электродвигателя, приводящих во вращение соответственно ротор установки, пропеллер перемешивающего устройства и рабочее колесо насоса. Резервом уменьшения массы, габаритов и стоимости установки является уменьшение количества электродвигателей в компоновке установки до единицы.
На основе анализа существующей схемы установки (рисунок 1а) и предложена новая схема (рисунок 1б).
Составными элементами перемешивающего устройства являются корпус и пропеллер, установленный на валу, который соединен с ротором [5]. К основным конструктивным
параметрам перемешивающего устройства относятся: диаметр и высота резервуара, диаметр пропеллера, угол наклона лопастей, высота пропеллера над дном резервуара, высота заполнения резервуара водой.
а) б)
Рисунок 1 - Существующие (а) и предлагаемая (б) схема установки: ЭД - электродвигатель; М - мешалка; Р - ротор; Н - насос
а) б)
Рисунок 2 - Трёхмерная модель перемешивающего устройства (а) и сетка конечных элементов (б)
Трёхмерная модель перемешивающего устройства, созданная в ANSYS DesignModeler, представлена на рисунке 2а. Расчетная модель мешалки состоит из двух тел: вращающейся цилиндрической области вокруг пропеллера диаметром в 1,4 раза больше, чем диаметр пропеллера, и оставшейся области резервуара. На рисунке 2б представлена расчетная сетка, содержащая 1093359 элементов и 655319 узлов.
Моделирование методом конечных элементов выполнялось в гидрогазодинамическом модуле ANSYS Fluent, позволяющем исследовать гидродинамику многофазных потоков. В нашем случае это течение со свободной поверхностью (Volume of Fluid) жидкости в резервуаре мешалки и движение частиц в потоке жидкости (Descrete Phase Model).
В процессе настройки решателя ANSYS Fluent задавались граничные условия, модель турбулентности, метод решения, схемы дискретизации. свойства материалов и др.
Моделирование проводилось для следующих конструктивных параметров перемешивающего устройства:
- диаметр пропеллера 24 мм, 38 мм, 56 мм;
- угол наклона лопасти пропеллера 20°, 30°, 40°;
- высота пропеллера над дном резервуара 49 мм, 64 мм, 80 мм;
- высота заполнения резервуара жидкостью 100 мм, 140 мм.
ANSYS
R15XI
Лайда
1
а) б)
Рисунок 3 - Положение свободной поверхности жидкости (а) и распределение скорости потока
жидкости в осевом направлении (б) @ = 38 мм, М = 49 мм, Н = 140 мм, а = 30°)
а) б)
Рисунок 4 - Отображение траектории частицы диаметром а) 100 мкм и б) 20 мкм в жидкости
(d = 38 мм, hi = 49 мм, H = 140 мм, а = 30°)
Угловая скорость вращения пропеллера мешалки во всех вариантах расчета задавалась неизменной и равной 150 рад/с, т.к. она определяется угловой скоростью вращения ротора.
В среднем процессорное время одного варианта расчета составило 30 часов на рабочей станции с 4-х ядерным процессором Intel Core ¡5-4570 c тактовой частотой 3.20ГГц и оперативной памятью 8Gb и 8 часов на рабочей станции с 2*12-ти ядерным процессором Intel Xeon E5-2691 c тактовой частотой 2.70ГГц и оперативной памятью 128Gb.
Форма свободной поверхности жидкости, распределение поля скоростей в жидкости, положения частиц диаметрами 20 и 100 мкм в жидкости для момента времени 4 секунды при следующих конструктивных параметрах перемешивающего узла: диаметр d пропеллера - 38 мм, угол а наклона лопасти пропеллера - 30°, высота h1 пропеллера над дном резервуара - 49 мм, высота H заполнения резервуара жидкостью - 140 мм представлены на рисунках 3 и 4.
На основании полученных результатов можно сделать выводы:
1. Увеличение диаметра пропеллера приводит к значительному увеличению размеров воронки и создает распределение осевых скоростей, препятствующих вытеканию жидкости из кольцевого отверстия на дне резервуара мешалки. При этом наблюдается наиболее равномерное распределение частиц в потоке жидкости.
2. Увеличение угла наклона лопасти пропеллера приводит к небольшому увеличению размеров воронки и создает распределение осевых скоростей, препятствующих вытеканию жидкости из кольцевого отверстия на дне резервуара мешалки. При этом равномерность распределения частиц в потоке жидкости несколько улучшается.
3. Увеличение высоты пропеллера над дном резервуара мешалки приводит к увеличению размеров воронки и не создает распределение осевых скоростей, препятствующих вытеканию жидкости из кольцевого отверстия на дне резервуара мешалки. При этом наблюдается самая плохая равномерность распределения частиц в потоке жидкости.
4. Уменьшение высоты заполнения резервуара мешалки жидкостью приводит к увеличению размеров воронки и незначительно влияет на изменения распределения осевых скоростей, препятствующих вытеканию жидкости из кольцевого отверстия на дне резервуара мешалки. При этом наблюдается равномерное распределение в потоке жидкости частиц только небольших размеров.
Список литературы:
1. Пат. 2513936 Российская Федерация, МПК7 В 03 В 9/00. Установка для классификации зерен абразивного материала / Глебов В.В., Шурыгин А.Ю., Сорокин В.М., Помелов Н.А.; заявитель и патентообладатель НГТУ. - № 2010154374/03; заявл. 29.12.10; опубл. 20.04.14, Бюл. № 11. - 6 с.
2. Разработка конструкции установки для очистки СОЖ с применением программы Ргоепдтеег / В.В. Глебов, А.Ю.Шурыгин, Н.А. Помелов, А.В. Курненков, О.М.Колганова // Казанская наука, № 10. - Казань: Изд-во Казанский Издательский Дом, 2010. - С. 106-108.
3. Исследование размерного распределения рекуперированных при очистке СОЖ абразивных зерен / В.В. Глебов, А.Ю.Шурыгин, А.В. Курненков, О.М.Колганова // Казанская наука, № 10. - Казань: Изд-во Казанский Издательский Дом, 2010. - С. 204-207.
4. Расчет основных технологических параметров процесса отделения абразивной фракции из СОЖ центрифугированием / В.В. Глебов, В.П. Пучков, В.М. Сорокин, А.Ю. Шурыгин // Справочник. Инженерный журнал. - М.: Машиностроение, 2006. - №1. - С. 9-13.
5. Модернизация перемешивающего узла установки очистки СОЖ / А.В. Мосин, А.Ю. Шурыгин, Д.Н. Курненков // Наука молодых - 2014: сб. ст. Международной молодежной научно-технической конференции - Арзамас: АПИ НГТУ, 2014. - С. 116-118.
