Исследование эффективности центробежного золоуловителя на основе численного моделирования турбулентного течения запыленного потока

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЗОЛОУЛОВИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ ЗАПЫЛЕННОГО ПОТОКА
© Алтухов Ю. А. *, Кисляк С. М. Ф, Аль Замили А. М. *
Алтайская государственная педагогическая академия, г. Барнаул
Алтайский государственный технический университет, г. Барнаул
На основе численного и экспериментального исследования аэродинамики запыленного потока в модели центробежного золоуловителя (ЦЗУ) установлена адекватность математической модели процесса и определена эффективность улавливания частиц золы для разных конструкций ЦЗУ.
Численное исследование основано на трехмерных уравнениях На-вье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу и замкнутых RNG (к — s) — моделью турбулентности, а описание движения частиц в ЦЗУ базируется на модели Лагранжа. Алгоритм численного анализа течения запыленного потока в ЦЗУ включает метод контрольного объема с различными формами ячеек и SIMPLE алгоритм (CD-adapco STAR-CD).
Постоянно растущие цены на газ и нефть, являющиеся в настоящее время для России стратегическим сырьем, приводят к потребности интенсификации использования твердых топлив. Однако сжигание этих топлив во многих случаях сопровождается повышенным механическим недожогом частиц топлива и уносом их из зон горения. Для возвращения несгоревших частиц в зоны горения используют уловители уноса различных конструкций.
Технические, экономические и технологические разработки, направленные на повышение эффективности таких золоуловителей, невозможны без изучения гидродинамических особенностей процесса осаждения и движения частиц в несущем газовом потоке. Теоретические исследования этих процессов на базе известных математических моделей движения аэрозольной частицы в закрученном потоке позволяют оценить эффективность золоулавливания различных устройств и выявить влияющие на нее факторы.
Течение в золоуловителях циклонного типа достаточно сложно и на пути численного исследования встречается много трудностей. Основная трудность является следствием того факта, что турбулентность, наблюдаемая в ЦЗУ, является существенно анизотропной, что требует модификации стандартной модели турбулентности. В последнее время выполнено много эксперимен-
* Профессор кафедры Теоретических основ информатики Алтайской государственной педагогической академии, доктор физико-математических наук.
* Доцент кафедры Теплогазоснабжения и вентиляции Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова, кандидат технических наук.
& quot- Аспирант Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова.
тальных и теоретических исследований, связанных с разработкой индустриальных установок, применяемых для очистки запыленных потоков [1−3].
Цель настоящего исследования — изучить аэродинамику запыленного потока в спаренном прямоточном циклонном золоуловителе при взаимодействии потоков и определить эффективность ЦЗУ для разных конструкций и различных режимов работы ЦЗУ
Описание экспериментальной установки
Модель прямоточного центробежного золоуловителя показана на рис. 1 [4]. Корпус уловителя 1 имел сечение 300×600 мм, высоту — 600 мм. К верхней части корпуса уловителя, имеющей входное окно 184×200мм, крепился горизонтальный входной участок 2, выполняющий роль тангенциального входа. Для улучшения аэродинамики потока и повышения эффективности сепарации частиц внутри корпуса вокруг выхлопных труб устанавливались «закручиватели» потока (рис. 2) в виде направляющих пластин. Длина дуги пластин L ~ 130 мм. Закручиватели потока крепились в нескольких точках к корпусу уловителя.
Рис. 1. Модель ЦЗУ
Рис. 2. Вид внутри ЦЗУ
(экспериментальное оборудование) (закручиватели и выхлопные трубы)
Для рассматриваемых несжимаемых потоков жидкости в декартовой системе координат уравнения Навье-Стокса (неразрывности и движения) газового потока, осредненные по Рейнольдсу, имеют вид [5]:
дП] ,=1 дх.
= 0:
д (и) + У, А (щи,) = -1 ^ + (Т — «)
дг
= дХ]
р дх, = дх р
(1)
(
где Т] =/и
ди, ди
Л
+
дх. дх
V 1 1
t — время- р — плотность-
х, — декартова координата ^ = 1, 2, 3) — и — компонента скорости жидкости в направлении х,--
Р = Р* - Ро8шХш
где р х — статическое давление- р0 — начальная плотность-
gm — проекция вектора ускорения свободного падения- хт — координаты точки, в которой определена плотность-
Р= р/кт,
где Я — универсальная газовая постоянная- Т — температура.
КЫв (к — е)-модель турбулентности, использованная для описания турбулентного течения несущей фазы, имеет стандартный вид [5]:
д.. д
-(рк) ±
д, дх,
71 дк
ри]к — | ?и±^ I-
^)дх1 у
Л
д д
— (ре) ±
д, дх,.
2
= V, (Р + Рв)-Ре-3
Л
, ^ I де ри]8 — | /И± I —
диг, ^^^ + р
дх
я& quot- С](1--)
диг
дГ (2)
дх
с е Се1 к


диг ,
ТТ +Рк
'-дх,
диг
дх,
, пеег диг ^ ] ре2 + Се3Т М, РВ — Се2 Р~Т + Се4Ре~"---. «3 ,
к к дх 1+ Р] к
(3)
где ^ = Ср / е
а — турбулентное число Прандтля-
Се1, Се2, Се3 и Се4 — коэффициенты, значения которых имеют стандартные значения.
Движение частиц, взвешенных в турбулентном потоке газа, могут описываться в рамках стохастического Лагранжевого подхода [6]. При этом уравнения движения для твердых частиц в турбулентном газовом решаются с использованием численной схемы Рунге — Кутта 2-го порядка точности.
В работе изучены несколько конструкций ЦЗУ — без закручивателей (рис. 3) — с 400 мм закручивателями (рис. 4) — с 600 мм закручивателями (рис. 5) — для разных заглублений выхлопных труб, а (100 мм, 200 мм, 300 мм), что позволило исследовать влияние конструктивных особенностей ЦЗУ на эффективность золоулавливания.
Эффективность улавливания дисперсного материала определялась ситовым методом:
е = Мул/М0 • 100%
где Мул — масса уловленных частиц-
М0 — масса подаваемых на входе частиц.
Проведение вычислительного эксперимента в работе базировалось на использовании метода контрольного объема и SIMPLE алгоритма (CD-adapco STAR-CD 4. 06). Система автоматизированного проектирования (CAD) — программа (SolidWorks 2011) использовалась для построения моделей конфигураций и расчетной сетки.
Для расчета турбулентных течений в исследуемых геометрических областях использовались «естественные» граничные условия: на стенке -«закон стенки" — мягкие граничные условия на выходе из канала и соответствующие условия для всех переменных на входе в канал. Для частиц использовался закон упругого соударения со стенками канала.
Одним из важных аспектов численного моделирования является сравнение результатов вычислений с данными эксперимента. На рис. 6, 7 приведены вычисленные и экспериментальные значения компоненты скорости (U) при (X = -90, Y = 250) и при (X = -90, Y = 500). Совпадение полученных экспериментальных и рассчитанных значений свидетельствует об адекватности используемой теоретической модели. Полученные подробные картины полей скорости в характерных областях ЦЗУ и рассчитанные траектории частиц качественно не противоречит ожидаемой картине течения и служат для расчета эффективности золоулавливания.
На рис. 8 приведены зависимости эффективности ЦЗУ для разных высот закручивателей потока. Из расчета следует, что эффективность ЦЗУ с 600 мм закручивателями больше чем эффективность ЦЗУ с 400 мм закру-чивателями и без них. Следовательно, применение закручивателей в общем повышает эффективность золоулавливания, а увеличение заглубления выхлопных труб приводит как к увеличению s, так и к уменьшению s для ЦЗУ с 400 мм закручивателей. Эти результаты позволяют выбрать оптимальную конструкцию ЦЗУ
Рис. 3. ЦЗУ без закручивателей Рис. 4. ЦЗУ с 400 мм закручивателями
Таким образом, в работе экспериментально и теоретически изучено влияние закручивателей потока и высоты заглубления выхлопных труб на аэродинамику и эффективность улавливания частиц золы ЦЗУ
8
(а = 100 мм)
(а = 100 мм)
Рис. 5. ЦЗУ с 600 мм акручивателей (а = 100 мм)
Рис. 6. Сравнение скорости (Ux) при (X = -90, Y = 250)
Рис. 7. Сравнение скорости (Ux) при (X = -90, Y = 500)
Высота Труб (а) (мм)
Рис. 8. Эффективность ЦЗУ для разных высот заглубления выхлопных труб
Примененная методика исследования процессов сепарации частиц в ЦЗУ показала свою работоспособность и может быть использована для других режимов работы циклонных золоуловителей после соответствующего выбора модели турбулентности, связанной с особенностями течения турбулентных потоков с различной интенсивностью закрутки.
Список литературы:
1. Темникова Е. Ю., Исследование эффективности пылеулавливания в циклоне с рельефными поверхностями: дисс. … канд. техн. наук / Е. Ю. Темникова. — Кемерово, 2010.
2. Bhasker C. Flow simulation in industrial cyclone separator / C. Bhasker // Advances in Engineering Software. — 2010. — Vol. 41. — P. 220−228.
3. Vaitiekunas P. Analysis of numerical modelling of turbulence in a conical reverse-flow cyclone / P. Vaitiekunas, I. Jakstoniene // J. Envir. Eng. and Land. Manag. — 2010. — Vol. 18, No. 4. — P. 321−328.
4. Кисляк С. М. Разработка уловителей и систем возврата уноса в котлах с низкотемпературным кипящим слоем: дисс. … канд. техн. наук / С. М. Кисляк. — Барнаул, 2004.
5. Carmona M. A numerical study of the flow in a cyclone separator using the k-e realizable turbulence model / M. Carmona, C. Cortes, A. Ramirez // V European Conference on CFD. — Lisbon, 2010.
6. Kartushinsky A. Numerical simulation of uprising gas and solids flow in Cfb by Euler / Euler approach / A. Kartushinsky, A. Siirde, Ulo Rudi, A. Shab-linsky // 10th International Symposium. — Parnu, 2011.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОТОННЫХ СТРУКТУР МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ РАЗНОСТЕЙ ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ (FDTD)
© Андросик А. Б. *, Воробьев С. А. *, Мировицкая С. Д. *
Московский государственный открытый университет, г. Москва
В работе рассмотрены особенности исследования и расчета волно-водных фотонных структур на примере резонатора, состоящего из линейной и кольцевой частей методом конечных разностей во временной области. Конечно-разностная аппроксимация базируется на численной схеме Йе. Приведены результаты моделирования.
Метод конечных разностей во временной области FDTD позволяет осуществить автоматизацию проектирования и имитацию пассивных фотонных компонентов и широко используется для моделирования устройств интегральной и дифракционной оптики. Метод обладает уникальной комбинацией особенностей, таких как возможность моделирования светового распространения, рассеяния и дифракции, а также отражения и поляризации. Можно также моделировать материальную анизотропию и дисперсию без предварительных допущений поведения поля, таких как медленно изменяющееся амплитудное приближение. Метод позволяет эффективно и точно имитировать и анализиро-
* Доцент кафедры Управления и информатики в технических системах, кандидат технических наук, доцент.
* Профессор кафедры Электронной техники, кандидат технических наук, доцент.
& quot- Доцент кафедры Управления и информатики в технических системах, кандидат технических наук, доцент.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой