Введение к работе
Акту; льяость проблеми
Дисперсные потоки, представляющие собой смесь несущей непрерывной (газовой или жидкой) и дисперсной (твердые частицы или капли) фаз, не только широко распространены а. природе, но и используются практически во всех отраслях промышленности (энергетика, металлургия, химическая промышленность н т.д.). В области энергетики проблемы эффективного сжигания твердого топлива, пыле-и влагоулавливания, осаждения влага и шлакования поверхностей нагрева непосрелственио связаны с решением вопросов описания всей совокупности физико-химических процессов, протекающих при турбулентном движении дисперсных сред в реальных технологических аппаратах.
История разоитня и достижения совремеш. эй теории газодис-перспьгх сред широко освещены в научной литературе. Ежегодно проводится более 20 международных конференций и симпозиумов, на которых обсуждение «опросов, связанных с экспериментальными и тео ретмческими исследованиями многофазных сред, занимает одно из главенствующих мест. В последние годы наиболее важной как а теоретическом, так и в прикладном аспекте стала пробчема построения теории турбулентных дисперсных потоков. В отличие от однофазных потоков теория турбулентных дисперсных течений только начинает создаваться.
В связи с широкой компьютеризацией инженерных и проектных работ вознгкаст необходимость не только в построении математических молелен, но и в создании отечественного программного продукта, В достаточной степени универсальные программные средства, позволяющие инженеру или проектировщику самостоятельно провести анализ теплофиіических процессов в разрабатываемых аппаратах или елементах технологии, созданы и внедрены только для случая однофазних турбулентных потоков. Обобщение таких программных средств art расчета-.технологических установок, работающих іч двухфазных теплоносителях, затруднено в связи с резким увеличением количества необходимо» для решения задачи обрабатываемое информации, несогласованностью численных алгоритмов, возрастанием возможных реализаций состояния.
В связи с вышесказанным проблема построения математических моделей различной степени сложности и разработка программных средств для описания турбулентных дисперсных сред является актуальной.
Целью работы является построение математических моделей различной степени сложности и информативности для описания дисперсных турбулентных потоков в рамках, Эйлерова подхода с учетом всей совокупности. физико-химических процессов, протекающих при горении и газификации частиц, и разработка программных комплексов, позволяющих проводить расчеты в аппаратах реальной геометрии.
В соответствии с общей целью исследований в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
-
разработка новых (Эйлеровых) математических моделей для описания физико-химических процессов в химически реагирующих турбулентных дисперсных потоков, основанных на методе функции плотности вероятности (ФПВ) распределения частиц по координатам, скоростям, температурам и массам;
-
построение с помощью замыканий различного уровня сложности цепочки уравнений для корреляционных моментов пульсаций скоростей и температуры частиц в турбулентных неизотермических потоках;
-
исследование закономерностей, качественный, и количественный анализ динамических и тепловых характеристик дисперсной фазы в классических турбулентных потоках (струи, каналы);
-
создание программных комплексов для расчета гидродинамических, тепловых л физико-химических процессов в технологических устройствах, работающих на двухфа ном теплоносителе (камеры смешения, центробежиие сепараторы, горедочные устройства, камеры сгорания); .
-
проведете, на базе разработанных программных комплексов, расчетов совокупности физико-химических процессов, протекающих в технологических аппаратах реальной геометрии и определение закономерностей, позволяющих оптимизировать их работу;
6) разработка новых математических моделей для описания
процессов сжигания полидисперсных твердых топлни в высококон-
цетриї ованных циркуляционных системах (циркулирующий аэрофон-
тайный слой).
Іїл^тя новизна диссертационной работы заключается в следующем:
J. С использованием метода ФПВ построены замкнутые м .тематические модели различной степени сложности для описания динамики, теплопереиоса и химического реагирования (горения и газификации) частиц в турбулентных потоках, которые по сравнению с используемой моделью описания несущей фазы не требуют привлечения дополнительной эмпирической информации для расчета осред-ненных и пульсационных характеристик дисперсной фазы.
2. Построенные математические модели позволяют рассчитывать
осредненные и пульсациотпле характеристики дисперсной фазы на
основе дифференциальных уравнений в частных производных эл
липтического типа, что делает возможным использовать единые чис
ленные алгоритмы как для несущей, тик и для дисперсной фаз.
3. Разработана модель смешанного Эйлерово*Лагранжевого
описания процессов сепарации и пылеулавливания частиц в полидис
персном турбулентном потоке.
4. Получены новые результаты по определению закономерно
стей динамики, теплопереиоса и горения частиц как в классических
турбулентных течениях (каналы, струи), так и в потоках, формирую
щихся в технолипіческих аппаратах (камеры смешения, центробежные
г, сепараторы, горелочные устройства, камеры сгорания и т.д.).
-
Созданы программные комплексы, позволяющие проводить расчеты всей совокупности физико-химических процессов, протекающих в реагирующих дисперсных турбулентных потоках в осесим-мстричнмх технологических аппаратах.
-
Выполнены численные исследования процессов гора.ля и газификации природного твердого топлива (угля) в турбулентных хими-чески-реагирующих газодисперсных потоках в осесимметричных камерах сгорания различной конструкции.
-
Построена модель для расчета процессов сжигания полнлис-персного твердого топлива в циркуляционных системах, с использованием которой выполнены расчеты циркулирующего аэрофонтанного слоя.
Практическая ценность работы заключается в созданк.і математических моделей различной степени сложности и информативности н разработке на их основе программных комплексов для расчета неей . совокуіі.іости физико-химіческих процессов в химически-реаіирую-
щих турбулентных дисперс.1ых потоках. Разработанные модели и программные средства могут быть использованы инженерами и конструкторами при проектировании новых и модифицировании действующих энергоустановок с многофазными рабочими телами, при проведении экспертных оценок эффективности различных зарубежных и отечественных технологий, при разработке оптимальных схем термической обработки твердых топлив, при выработке научно-обоснованных рекомендаций по увеличению эффективности функционирования технологического оборудования.
Разработанные математические модели и программные комплексы внедрены и используются в следующих организациях: ВНИИАМ (г.Москва), КБ Энергомаш (г.Химки), Тв^ПИ (г.Ты-рь), Electricity De' France (France.Paris), СПбГТУ (г.С.-Петербург), ЭНИЦ (г.Э: іктрогорск").
Работа выполнялась по планам НИР Минтопэнерго, при поддержке Рс хийского Фонда Фундаментальных Исследований (код проекта 93-02-15902), по грантам МЭИ (1993 и 1994гг.).
Достоверность работы. При проведении работы особое внимание уделялось тестированию разрабатываемых моделей путем сравнения с экспериментальными данными, полученными различными авторами как в классических течениях (струи, каналы), так ив потоках, формирующихся в различных технологических аппаратах.
Автор защищает:
-
Новче математические модели для описания процессов динамики, тепломасопереноса, осаждения частиц и фазовых переходов (горения или гапфикации) в реагирующих дисперсных турбулентных потоках.
-
Резулктяы расчетов турбулентна изотермических и реаги-рукмпчх (горение и газификация) дисперсных течений в классических потоках и в технологических устройствах.
-
Программные комплексы для расчета совокупности физико-химических процессов в реагирующих турбулентных газодиспе"сных потоках, формирующихся в осесимметричных ч,ехнологи,,еских устройствах.
-
Математическую модель \ расчета процесс в сжигани. поли-дисперсных твердых топлив в высе сконцентрированных дисперсных циркуляционных системах и результаты использования ее применительно к циркулирующему аэрофонтан..ому слог .
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на I и II Минском международном форуме по тешюмассобмену (Минск, 1988,1992); XV Научном совещании по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений (Таллинн, 1989); First Asian-Pasific Int. Confc ort Combustion and Energy Utilization (China, 1990); Всесоюзной конференции "Энергетическое моделирование - ЭНМО-90" (Киев, 1990); Int. Symp. Engineering Problems of Turbulence (Yugoslaviya, 1990); VII Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике, (Москва, 1991); I и II Всесоюзной конференции по парогенераторам (Новосибирск, 1988, 1990); IX, X Симпозиумах по горению й взрыву (Суздаль 1989, Черноголовка, 1993); XV и XVI конференциях "Актуальные вопросы физики аэрофонтанных систем" (Одесса, 1989,1993); Советсго-японский семинар (Черноголовка, 1993); Workshop on two-phase turbulence (Germany, 1994); Int. Conf. on Heat Transfer (UK, 1994); Первой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994); 4th Int. Conf. and Trade Show CAD/CAM and MULIMEDIA (Hungary, 1994).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в печатных ^0 работах (в т.ч. одной монографии).
Структурі. И объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, содержащего 305 наименований. Объем работы 373 страниц текста, иллюс.рирошш 158 рисунками.
