научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКРУЧЕННОГО ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ МЕЖДУ ВРАЩАЮЩИМИСЯ ПРОФИЛИРОВАННЫМИ ДИСКАМИ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКРУЧЕННОГО ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ МЕЖДУ ВРАЩАЮЩИМИСЯ ПРОФИЛИРОВАННЫМИ ДИСКАМИ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2011, том 45, № 5, с. 557-565

УДК 532.517.4+621.928.93

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКРУЧЕННОГО ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ МЕЖДУ ВРАЩАЮЩИМИСЯ ПРОФИЛИРОВАННЫМИ ДИСКАМИ

© 2011 г. А. В. Шваб, В. Ю. Хайруллина

Томский государственный университет vikushka1985@inbox.ru Поступила вредакцию 17.01.2011 г.

Проводится моделирование аэродинамики в воздушно-центробежном классификаторе, зона сепарации которого представляет собой вращающиеся профилированные дисковые элементы, между которыми наблюдается турбулентное закрученное течение в направлении к оси вращения. Численное решение задачи проводилось в полученной ортогональной криволинейной системе координат с помощью известной модели турбулентности Уилкокса. Показано влияние режимных параметров и дополнительного подвода несущей среды на аэродинамику в сепарационной зоне центробежного аппарата. Достоверность результатов обосновывается тестовыми исследованиями и сравнением с опытными данными.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время существенно возросли потребности в получении тонкодисперсных порошков заданного гранулометрического состава. Наиболее эффективными и экологически чистыми способами получения таких порошков являются пневматические методы переработки. Для процессов фракционной классификации порошковых материалов становится наиболее перспективным использование вихревых камер, циклонных и ротационных сепараторов, воздушно-центробежных классификаторов [1]. Существенное влияние на весь технологический процесс классификации оказывает аэродинамическая обстановка, складывающаяся в центробежных аппаратах. Поэтому важно знать распределение полей вектора скорости и давления. Экспериментальные исследования в этом направлении связаны с большими техническими трудностями и высокой себестоимостью, поэтому они используются в основном для проверки достоверности теоретических исследований. Численное моделирование на сегодняшний день является тем инструментарием, который позволяет адекватно опыту получать физическую картину течения, анализировать ее и на основе новых представлений совершенствовать существующие установки и создавать новые более совершенные конструкции и способы центробежной классификации тонкодисперсных порошковых материалов.

ФИЗИЧЕСКАЯ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Геометрия зоны сепарации (рис. 1) воздушно-центробежного классификатора, в которой происходит процесс разделения порошка по размеру на

крупный и мелкий продукт, представляет собой два диска, вращающихся с постоянной угловой скоростью вокруг своей оси 0Z, причем нижний диск является плоским, верхний — профилированным, изменяющимся по закону Z = /(Я). С внешней стороны, при Я = Яп в сторону оси симметрии подается закрученный поток с постоянным объемным расходом несущей среды, равным О = 2пНЯПп Ц~т. Среднее значение угловой скорости вращения газа во входном сечении считается известным из опытных данных. Через патрубок в нижнем диске (Яь—Яа) осуществляется дополнительный подвод газа в сепарационную зону центробежного аппарата с заданным расходом и средней угловой скоростью вращения газа В рабочей конструкции аппарата дополнительный подвод используется для введения сепарируемых твердых частиц в вихревую камеру.

Из физических представлений ясно, что процесс классификации частиц протекает наиболее эффективно, если поле осредненной скорости в зоне сепарации аппарата практически не изменяется, что подтверждается теоретическими и экспериментальными работами [2—4]. Для частного случая течения газа между плоскими дисками среднее значение радиальной составляющей скорости по высоте камеры увеличивается обратно пропорционально радиусу в силу уменьшения площади поперечного сечения. Поэтому, задавая высоту камеры обратно пропорционально радиусу, будем иметь требуемое условие постоянства средней по высоте камеры радиальной составляющей скорости, т.е. закон изменения верхнего диска в виде Z/H = /(Я/Яп) = Я!п/Я. Обобщая эту зависимость степенным законом, получим

Z

I

---

5.° 5.5 6.° 6.5 7.° 7.5 8.°

а

Яе

Яа

Я

ь

Я:„

О

а

9.° 9.5 1°.° Я

Рис. 1. Геометрия зоны сепарации воздушно-центробежного аппарата.

* = / (г/пя ) = (Г

(1)

Здесь и далее в работе строчными буквами обозначены безразмерные координаты, которые получены на основе масштаба длины Н. В соотношении (1) т — константа, принимающая значения т = ° для случая зоны сепарации в форме плоскопараллельных дисков и т = 1 — в рассмотренном выше частном случае. Хорошо известно, что высокую точность численного решения можно получить только на ортогональных разностных сетках, причем границы области должны совпадать с координатными линиями ортогональной системы координат. Для рассматриваемой геометрии удается построить ортогональную и конформную разностную сетку. Для этого будем использовать систему координат вращения ^з = ф), которая получается преобразованием цилиндрической системы координат (г, ф, z). Вводя криволинейную координату = z/f, получим семейство кривых ° < < 1, для которых выполняются условия на твердых границах: при z = ° имеем = ° и при z = / получим = 1. Далее, используя метод построения ортогональных траекторий [5], получим семейство линий, ортогональных данному семейству. В результате в меридиональной плоскости будем иметь новую систему ортогональных координат

=

2т 2

\2 = *

/

_Г_

V г1п

Условие, необходимое и достаточное для ортогональности введенной системы координат вращения,

можно привести к виду

+ = 0,

дг дг д* д* которое тождественно выполняется.

Чтобы получить конформную разностную сетку необходимо провести нормировку координаты Для этого определим минимальное и максимальное значения координаты для которых используются точки г = гех при z = ° и г = гп при z = 1:

2 . 2 Р _ г1п — 1. й _ гех

41,шт ^ Ч1,шах •

2т 2 2т

В результате получим новую нормированную координату, которую обозначим как ^ и которая будет изменяться в пределах ° < ^ < 1

А 2 Г

41 =

2

(2)

Для сгущения координаты около стенок при ^2 = ° и ^2= 1 используется преобразование

42 = 11П[(е -1)(2 - 0.5)] + + 1п 1.

(3)

Здесь 92 — новая координата, которая также изменяется от нуля до единицы. Параметр ^ > ° в зависимости (3) характеризует степень сгущения координатных линий вблизи стенок при линейном изменении д2. При значении ^ = °, раскрывая неопределенность по правилу Лопиталя, получим 92 = т.е. отсутствует сгущение координатных линий.

Разрешая численным методом уравнения (2), (3), найдем зависимости

г = г (41,42), * = * (41,42).

т

Далее с помощью Якобиана частные производные дг/ддх, дт/д^, дг/дд2, дт/д#2 выражаются через частные производные д^/дг, д^/дт, д^/дг, д#2/дт, которые определяются по формулам (2), (3). Условие, необходимое и достаточное для ортогональности введенной системы координат вращения (^1, #2, ф), можно также представить в виде равенства

дг дг + дг дг = о д#1 д^2 д#2 ' численная проверка которого показала практически машинную точность. Кроме того, для системы координат вращения можно показать, что выполняется равенство

д (х, у, г) _ ^ д (г, г)

д ( #2, #3) д (^1, #2)

В силу положительности координаты г > 0 следует, что система координат вращения (^1, #2, ф) будет правой, если выполняется неравенство

5 (Ъ г) _ дг_ -дг_ д^ > о

что подтверждается численными расчетами.

Для рассматриваемой геометрии декартовые координаты связаны с криволинейными координатами зависимостями

х = г #2)со;5 (ф); у = г(#1,#2)б1п(ф); г = г(#1,#2)•

(5)

дх дг ду

— = соб ф—;

д#1 д#1 д#1

Б1П ф

дг . дх_

дЧ\ д#2

СОБ ф

дг

д#2

ду дг

= Б1П ф-•

д#2 д#2

(6)

Н, =.

+

ду

дг

I = 1; 2; 3 •

н1 -Ш-М"; Н2+(Й2.

Н3 - г #2 )•

Основными уравнениями, описывающими турбулентное течение несжимаемой вязкой жидкости,

являются осредненные уравнения переноса количества движения (уравнения Рейнольдса) и уравнение неразрывности. Эта система уравнений замыкается с помощью обобщенной гипотезы Буссинеска, согласно которой рейнольдсовы напряжения считаются пропорциональными скорости деформации осредненного течения. Для определения турбулентной вязкости используется известная двухпарамет-рическая "к-ю" модель турбулентности Уилкокса [7], которая содержит уравнения переноса для кинетической энергии пульсационного движения и удельной скорости диссипации. Безразмерная форма уравнений получена с использованием масштабов длины Н, средней по высоте камеры скорости ит и постоянной плотности газа р, за исключением кинематического коэффициента турбулентной вязкости, безразмерная форма которого получена с помощью коэффициента молекулярной вязкости. В результате система уравнений, описывающая турбулентное закрученное течение в безразмерных переменных для осесимметричного течения (д/дф = 0), имеет вид

(Н2Н3М1 ) + £- (Н1Н3Щ ) = 0;

НННдФ , д(иНН3фу) , д(«2Н3Н1фу).

дт дд2

±( в дФ/В2 дФ/

=

В соответствии с формулами (5) можно перейти от декартовых координат (х, у, т) к координатам вращения (^1, #2, ф): дифференцируя (4) с учетом осевой симметрии (д/дф = 0), найдем

V, = Яе-

ю

(7)

(8)

(9)

Здесь соотношение (8) представляет собой пять уравнений переноса: Ф1= и1 для продольной и Ф2 = = и2 — поперечной скорости в меридиональной плоскости, Ф3 = иф — окружной составляющей скорости, Ф4 = к — кинетической энергии турбулентности и Ф5 = ю — удельной скорости диссипации. Значения В1 и В2 имеют вид:

Для перевода дифференциальных уравнений в криволинейную ортогональную систему координат вращения необходимо определить так называемые коэффициенты Ляме [6], которые имеют вид:

В = Н2Н3 (1 +

1 Яе Н1

^'В2 = ЯН ( + ^),

дх

\д#0

С учетом уравнений (6) коэффициенты Ляме примут вид:

причем а1 = 1, а2 = 1, а3 = 1, а4 = ак, а5 = аш. Значения правых частей в (8) имеют вид:

17 тт тт др ( тт дН1 2ТТ дН3

^ = -Н3Н2 - I и2ЩН3-^ - щН2-—3 -

- и2Н3

Н | + _д_

д#2 д#1 2и,Н3 (1+у< )дН1 Н1 Яе д#2 _

д#2

А.

д#2

щн3 (1 + у,) дн~

Н2 Яе _ и2Н3 (1 + у ,) дН2' Н2 Яе д#1

д#1

IIНз (1 + V,) дщ Н1 Яе дд1

д42

Н

(1 + V,) дщ Яе дд1

(1 + V,) дН1Н (± дщ + X дШ - и1 дН1

Яе

д#2 «2

Н1Н2 д41 1 ди2 щ

уН2 дЯ2

■Нз х

X Н2

Г2 = -Н3Н1

Н д41 Н2 д#2 Н1Н2 дд2

диг ^ (1 + v,) дН2

Яе д41

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком