Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Физико-химические основы определения дисперсности аэрозолей с помощью волокнистых фильтров и импакторов 9
1.1. Методы оценки дисперсного состава 9
1.2. Механизмы осаждения аэрозольных частиц в волокнистых фильтрах и на каскадах импактора 18
1.3. Численное моделирование каскадов импактора и модельных фильтров 31
Постановка задачи исследований 36
ГЛАВА 2. Описание метода моделирования полей течения и расчета осаждения частиц 39
2.1 Подходы к численному моделированию течения среды с частицами дисперсной фазы в CFD коде STAR-CD 39
2.2 Методы расчета коэффициента захвата и эффективного диаметра разделения ... 45
2.3 Геометрии модельных фильтров и каскадов импактора. Разработка в САПР и подготовка к расчету в STAR-CD 46
ГЛАВА 3. Численное моделирование течения среды с частицами дисперсной фазы в cfd коде star-cd и экспериментальные исследования осаждения частиц на фильтрах 54
3.1 Оценка и сравнение с экспериментальными данными силы сопротивления на единицу длины волокна в двухмерных и трехмерных модельных фильтрах при конечных числах Re 54
3.2 Оценка и сравнение с экспериментальными данными коэффициента захвата частиц волокнами в двухмерных и трехмерных модельных фильтрах при промежуточных числах Рейнольдса 64
3.3 Экспериментальные исследования эффективности осаждения аэрозольных частиц в условиях аналитической фильтрации для пакета фильтров из материалов ФП 67
3.4 Оценка и сравнение с экспериментальными данными эффективности осаждения частиц в трехмерных моделях каскадов персонального импактора 75
ГЛАВА 4. Конструкция и математическая модель устройства для определения дисперсного состава аэрозолей 86
4.1. Описание конструкции устройства 86
4.2. Математическая модель 90
ГЛАВА 5. Использование каскадного устройства для определения дисперсного состава аэрозолей 93
5.1. Оценка дисперсного состава аэрозолей NaCl 93
5.2. Оценка дисперсного состава аэрозолей селена и стронция 97
5.3. Оценка дисперсного состава радиоактивных аэрозолей Ри и Sr 100
5.4 Условия применимости каскадного устройства для определения дисперсного состава радиоактивных аэрозолей 104
Заключение 108
Выводы 113
Список литературы 115
- Механизмы осаждения аэрозольных частиц в волокнистых фильтрах и на каскадах импактора
- Методы расчета коэффициента захвата и эффективного диаметра разделения
- Оценка и сравнение с экспериментальными данными коэффициента захвата частиц волокнами в двухмерных и трехмерных модельных фильтрах при промежуточных числах Рейнольдса
- Оценка и сравнение с экспериментальными данными эффективности осаждения частиц в трехмерных моделях каскадов персонального импактора
Введение к работе
Актуальность
Дисперсный состав аэрозолей является важнейшей физико-химической характеристикой, определяющей эволюцию аэродисперсных систем вследствие коагуляции, седиментации, переноса и др.
Среди методов, используемых для определения дисперсного состава, особое место занимают те, которые позволяют определять не только размеры аэрозольных частиц, но и другие их характеристики (например, химический или нуклидный состав, растворимость, плотность, массу и т.д.). К ним относятся методы, в которых разделение на размерные фракции происходит непосредственно в пробоотборном устройстве за счет осаждения частиц на отдельных каскадах (диффузионные батареи, импакторы и пакеты фильтров).
В случаях, когда размер аэрозольных частиц превышают 100 нм, а скорости потоков составляют величины порядка 1 м/с, использование диффузионных батарей для анализа дисперсного состава невозможно. Импакторы представляют собой селективные проотборные устройства, в которых разделение частиц на размерные фракции в диапазоне от долей до десятков мкм происходит за счет инерционного осаждения на препятствиях (коллекторах) при скоростях потоков до нескольких десятков м/с. Метод, основанный на инерционном осаждении аэрозольных частиц на волокнах фильтра при скоростях фильтрации от долей до нескольких м/с, известный как метод многослойных фильтров (ММФ) позволяет определить дисперсность аэрозолей в диапазоне размеров от 100 нм до нескольких мкм. Следовательно, для оперативного определения дисперсного состава аэрозолей наиболее подходящими являются каскадные импакторы и пакеты фильтров.
Импакторы состоят из каскадов, каждый из которых содержит разгонные сопла и коллекторы для осаждения аэрозольных частиц. Осаждение частиц с размерами менее 1 мкм требует значительного увеличения гидродинамического сопротивления этих устройств, что существенно затрудняет его использование. При этом снижается эффективность осаждения аэрозольных частиц и искажаются гидродинамические параметры несущей среды, что приводит к ошибкам в определении дисперсного состава, особенно в диапазоне от долей мкм до 1 мкм.
Пакет фильтров состоит из волокнистых материалов с разным гидродинамическим сопротивлением. Каждый из фильтров можно рассматривать как каскад, на котором осаждаются аэрозольные частицы определенного размерного диапазона. Частицы диаметром более 2 мкм осаждаются преимущественно на первом каскаде пакета, что приводит к большой неопределенности при оценки дисперсного состава методом многослойных фильтров для гру бо дисперсных аэрозолей (размер частиц более 1 мкм). Для снижения уровня неопределенности необходимо более равномерное распределение частиц по всем каскадам. Суммарное гидродинамическое сопротивление пакета фильтров в условиях высокоскоростной фильтрации существенно ниже, чем у каскадов импактора, используемых для анализа дисперсности частиц в диапазоне от долей до 1 мкм.
Таким образом, целесообразно соединить в одно устройство для определения дисперсного состава каскады импактора и пакет фильтров. При этом будет достигнута оптимальная эффективность осаждения частиц в диапазоне от 100 нм до десятков мкм при уменьшении суммарного гидродинамического сопротивления. В таком устройстве каскады импактора будут играть роль предосадителей
грубодисперсных аэрозолей. К тому же с увеличением количества каскадов повысится точность определения дисперсного состава аэрозолей. Для этого необходимо установить закономерности осаждения аэрозольных частиц на препятствиях в условиях высокоскоростной фильтрации. Иначе говоря, необходимо на основе теоретических и экспериментальных исследований инерционного осаждения аэрозольных частиц и методов вычислительной гидродинамики показать, что условия осаждения частиц в описанном выше каскадном устройстве позволяют использовать его для определения дисперсного состава в широком размерном диапазоне.
Цель работы. Установление закономерностей влияния физико-химических характеристик аэрозолей на особенности их осаждения из гидродинамических потоков на препятствиях при определении дисперсного состава на основе совместного использования каскадов импактора и пакета фильтров. Для достижения этой цели решается ряд задач, среди которых:
исследование полей течений в модельных фильтрах в режиме высокоскоростной фильтрации. Оценка силы гидродинамического сопротивления волокон, коэффициента инерционного захвата и влияния неоднородности расположения волокон в ряду на перепад давления для переходных чисел Рейнольдса;
численное моделирование полей течения и осаждения аэрозольных частиц на волокнах модельных фильтров и инерционных каскадах, валидация численной модели устройства на основе экспериментальных данных;
разработка численной модели и конструкции устройства, выбор оптимального количества каскадов импактора и их сопряжение с пакетом фильтров;
экспериментальные исследования осаждения аэрозольных частиц произвольной физико-химической природы в волокнистых фильтрах в режиме высокоскоростной фильтрации;
разработка алгоритма для расчета характеристик логарифмически нормального распределения (ЛНР) аэрозолей по размерам на основе долей осажденного вещества на каскадах импактора и фильтрах пакета и экспериментальная проверка работоспособности многокаскадного устройства с использованием тестовых полидисперсных аэрозолей различного происхождения.
Научная новизна работы
Показано что, при числах Рейнольдса (Re) меньше 1 и при постоянстве параметра зацепления, число Стокса (St) однозначно характеризует коэффициент инерционного захвата частиц с различной плотностью, в то время как в области Re больше и равном 1 коэффициент захвата зависит как от St, так и от Re.
Теоретически и экспериментально исследовано влияние параметров структуры модельного волокнистого фильтра на перепад давления и коэффициент захвата. Установлено, что неоднородность расположения параллельных волокон в ряду ведет к росту отношения перепада давления к линейной скорости при меньших значениях Re и к более резкой зависимости коэффициента захвата от St, чем в упорядоченных системах волокон.
Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что для расчета эффективности осаждения частиц на инерционных каскадах устройства, в том числе при скоростных режимах, близких к реальной
скорости дыхания человека и режимах течений при Re>1000, может использоваться код вычислительной гидродинамики STAR-CD.
Разработана конструкция каскадного устройства для отбора аэрозолей. Экспериментально получена зависимость эффективности осаждения аэрозольных частиц на инерционных каскадах от скорости потока в разгонных соплах, плотности и размеров частиц.
Показано, что метод расчетно-экспериментальной калибровки с помощью кода вычислительной гидродинамики STAR-CD может использоваться при создании или модернизации конструкций средств для отбора аэрозолей различного назначения.
Практическая ценность работы.
Полученные в работе закономерности влияния физико-химических характеристик аэрозолей на особенности их осаждения на препятствиях позволяют рассчитывать и создавать трехмерные модели и конструкции средств отбора аэрозолей с оптимальными параметрами гидродинамических потоков для оценки дисперсного состава аэрозолей.
Разработанные на основе предложенных закономерностей устройства могут использоваться в химической и атомной отраслях промышленности для оценки распределений количества, массы и активности аэрозольных частиц по размерам.
Использование средств отбора аэрозолей в качестве измерителей характеристик дисперсного состава позволяет создать представительную систему контроля радиологической значимости аэрозоля, поступающего в организм человека при дыхании.
Полученные в процессе исследований результаты существенно снижают неопределенность при определении дисперсного состава искусственных промышленных радиоактивных аэрозолей в случае их ингаляционного поступления в организм человека. Снижение уровня неопределенности при использовании специальной модели для расчета индивидуальных доз облучения персонала повышает качество контроля радиационной обстановки.
Основные положения, выносимые на защиту:
Метод расчета коэффициента инерционного захвата на волокнах модельного фильтра в широком диапазоне чисел Стокса и параметров зацепления для чисел Рейнольдса более 1.
Модель каскадов импактора и конструкция устройства для отбора аэрозолей.
Экспериментально-расчетный метод калибровки инерционных каскадов устройства для определения дисперсности аэрозолей с помощью кода вычислительной гидродинамики и экспериментально полученных аэрозольных частиц селена.
Разработка и оптимизация алгоритмов оценки характеристик логнормального распределения аэрозольных частиц по размерам с помощью устройства для отбора аэрозолей на основе измеренных долей осажденного вещества на каскадах импактора и фильтрах пакета.
Апробация работы:
Основные результаты работы, доложены на следующих научных конференциях и семинарах: 10th World Filtration Congress, Leipzig, Germany, 14-18 April 2008; Всероссийская конференции по физической химии и нанотехнологиям "НИФХИ-
90", Москва, 10 - 14 ноября 2008 г. Научная сессия НИЯУ МИФИ-2010, Москва,
25-31 января 2010 г.
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 опубликованы
в журналах из списка ведущих рецензируемых научных журналов и изданий,
утвержденных ВАК РФ, 3 патента, тезисы 4 докладов на российских и
международных конференциях.
Структура и объем диссертации:
Механизмы осаждения аэрозольных частиц в волокнистых фильтрах и на каскадах импактора
Как известно, захват частиц препятствием (волокном) осуществляется за счет следующих процессов: 1) зацепление; 2) инерция; 3) диффузия; 4) электростатическое притяжение; 5) гравитационное осаждение. Эти эффекты действуют всегда, но их вклад неравнозначен. Превалирование того или иного процесса захвата частиц зависит от ряда параметров среды, частицы и препятствия (волокна). Получение количественных соотношений между этими параметрами, сопротивлением и эффективностью волокнистого материала составляет цель теории фильтрации аэрозолей. Несмотря на обилие теоретических и экспериментальных исследований в области фильтрации аэрозолей волокнистыми структурами, можно утверждать, что проблема далека до полного решения. Это связано с тем, что для точного расчета эффективности улавливания фильтра необходимо решить уравнение Навье-Стокса и уравнение движения частицы (в общем случае несферической) с учетом ее инерции, диффузии и всех внешних сил в пространстве волокнистого фильтра, который представляет собой случайную волокнистую структуру. Еще более усложняют задачу неэффективные соударения частицы с волокнами, накопление осадка на волокнах в процессе фильтрации, поджатие фильтрующего слоя при больших динамических напорах газа. Вместе с тем, теория фильтрации, возникновение, развитие и обобщение результатов которой тесно связано с именами Лэнгмюра, Лэмба, Дэйвиса, Л.М. Левина, Г.Л. Натансона, Кувабары, Хаппеля, А.А. Кирша, И.Б. Стечкиной, Н.А. Фукса, Брауна и др., достигла значительных успехов. Практической иллюстрацией достижений служат отечественные фильтры на основе ФП и аналогичные им зарубежные высокоэффективные аэрозольные фильтры из стекловолокна типа НЕРА и ULPA[20], создание которых было бы невозможно без теоретических и экспериментальных исследований вопросов фильтрации.
Волокнистый фильтр представляет собой неупорядоченную систему волокон. В силу этого все без исключения структурные параметры являются случайными величинами, имеющими соответствующие распределения вероятности. В основные соотношения для расчета перепада давления и эффективности волокнистого фильтра [21] входят лишь три параметра структуры: радиус (диаметр) волокна, плотность упаковки (доля, занимаемая волокнами в пространстве волокнистого фильтра) и толщина волокнистого слоя. Эти величины считают неизменными и постоянными при решении задач стационарной фильтрации. В реальном же волокнистом фильтре диаметр волокна распределен по некоторому закону. Это может быть распределение Гаусса с достаточно малым среднеквадратичным отклонением, а также иные распределения вероятности. Кроме того, волокна не всегда имеют форму цилиндров. Вариации плотности упаковки и толщины фильтра также всегда имеют место. Однако отклонения упомянутых случайных величин от их средних значений не являются определяющими. В конечном итоге, различие макроскопических свойств материалов определяются способом укладки волокон. В качестве примера можно рассмотреть два слоя параллельных волокон, один из которых состоит из одинаковых цилиндров, равноотстоящих друг от друга, а второй - из таких же цилиндров, но сдвоенных. Несмотря на тождество диаметра волокон, плотности упаковки и толщины обоих слоев, их гидродинамические сопротивления существенно различаются [21]. Гидродинамическое сопротивление фильтра зависит от перепада давления Ар на нем. Попытки создания моделей фильтров близких по своим гидродинамическим характеристикам к реальным волокнистым фильтрам предпринимались уже давно. Некоторые авторы предлагали использовать для расчета Ар рыхлого волокнистого материала формулу Пуазейля [22,23], которая базируется на концепции «пор» в структуре волокнистого материала.
При этом использование такого подхода к моделированию волокнистого фильтра искажает реальную картину течения в фильтре. Другой метод расчета Ар основан на суммировании сил сопротивления потоку отдельных волокон в единице объема фильтра. При этом вычисление Ар на основе сопротивления изолированного цилиндра, с последующим введением эмпирических коэффициентов не удовлетворяет требованию автомодельности течения [24]. При оценке перепада давления на фильтре, Чен [25] учел влияние соседних волокон, использовав экспериментально установленное Уайтом соотношение для движения цилиндра в ограниченном пространстве [26]. Полученное Ченом выражение для Ар верно отражает однозначную зависимость перепада давления от плотности упаковки, но содержит два неизвестных параметра, которые должны определять экспериментально. Достаточно широко изучен вопрос об оценки сил сопротивления и полей течения при Re«l в различных системах цилиндров, расположенных перпендикулярно направлению потока, в том числе и для ячеистой гидродинамической модели [27,28]. В отличие от Лембовского решения для изолированного цилиндра поле течения в системах цилиндров в Стоксовском приближении не зависит от числа Рейнольдса и определяется отношением радиуса цилиндра к расстоянию до ближайших цилиндров.
Выражение для функции тока в ячеистой модели для плотности упаковки а«1 имеет вид близкий формуле Лэмба, но отличается гидродинамическими коэффициентами к и коэффициентами при степенях а: по Кувабаре [27] и по Хаппелю [28]. Система из параллельных цилиндров, расположенных перпендикулярно направлению потока, была принята в качестве прототипа реального фильтра и на основе уже известного поля течения были решены некоторые задачи фильтрации [29-31], при Re«l. Так как волокнистый фильтр является случайной структурой, и поле течения в каждой точке зависит от конкретного расположения волокон, расчет гидродинамических и фильтрующих характеристик представляется очень сложной задачей. Тем не менее, попытки учесть неоднородность микроструктуры фильтра теми или иными способами предпринимаются, хотя здесь нет заметных успехов (см., например, работы Брауна [32], Швирса и Леффлера [33], М. Шапиро [34], Даньяла и Лю [35]). Для приближенного определения перепада давления и эффективности обычно используют двумерные регулярные (модельные) структуры, существенно упрощающие расчеты. Действенность той или иной модели волокнистого фильтра в конечном итоге определяется применимостью полученных формул для расчета реальных фильтров. Существует несколько моделей, более или менее успешно применяющихся для указанных выше целей. Отметим, что наиболее интересны те модели, которые можно изготовить и исследовать экспериментально. Известны модели с шахматным и коридорным расположением рядов параллельных цилиндров [21]. В качестве модельных фильтров применяли сетки, наложенные друг на друга [36]. Экспериментальные исследования, проведенные А. А. Киршем и Н. А. Фуксом [37, 38], показали, что при невысоких скоростях воздушного потока (при малых числах Рейнольдса, Re) очень хорошей является веерная модель волокнистого фильтра. Веерная модель представляет собой систему, состоящую из рядов параллельных цилиндров, причем каждый последующий ряд повернут относительно предыдущего на произвольный
Методы расчета коэффициента захвата и эффективного диаметра разделения
Коэффициент захвата rj был рассчитан по методу граничной (предельной) траектории. В качестве граничных условий было принято, что на левой удаленной границе скорость частицы в начальный момент времени совпадает со скоростью потока. Расчет каждой траектории по формуле (2.5) заканчивался при осаждении частицы или ее пролету за волокно. Выбирая последовательно точки входа в расчетную область, определяли ту ординату Г, которая соответствовала граничной траектории, т.е. траектории, ограничивающей область, в которой происходит осаждение частиц. В конечном счете, для цилиндрического волокна радиусом R/ коэффициент захвата можно определить как отношение: Иными словами, граничная траектория отделает фильтруемую долю потока при осаждении инерционных частиц. Любая траектория, идущая из точки у Y, проходит мимо волокна. Учитывая сложный характер течения при конечных числах Рейнольдса, коэффициент захвата частиц будет определяться многопараметрической функцией параметров частиц (размера, плотности материала), условий течения газа (скорости, давления), параметров фильтра (пористости и толщины фильтра, радиуса волокон). В каждом случае эту зависимость можно определить только численно. Каждый каскад импктора характеризуется своим эффективным аэродинамическим диаметром разделения (ECAD) Для определенности принято считать, что ECAD каскада соответствует аэродинамическому диаметру частицы вероятность (или эффективность) осаждения, которой на рассматриваемом каскаде равна 50 %. Для расчета ECAD или d5o можно использовать формулу (1.3). Метод численного моделирования для определения d5o каскада построен на последовательном пропускании N] монодисперсных частиц через расчетную область. При этом считается, что частицы равномерно распределены на входе в расчетную область. Скорость частиц на входе в расчетную область, также как и в случае с оценкой коэффициента захвата, принимается равной скорости потока среды. Затем рассчитывается траектория движения каждой частицы из уравнения (2.5). Расчет продолжается до тех пор пока частица не столкнется с коллектором или выйдет за пределы расчетной области. Определив количество частиц вышедших за пределы расчетной области N2 можно найти зависимость эффективности осаждения частиц Е от аэродинамического диаметра. Эффективность осаждения можно определить по следующей формуле:
Мы рассмотрели несколько типов геометрий модельных фильтров: 1. Двухмерная модель изолированных рядов параллельных эквидистантных цилиндров радиуса а с расстоянием между рядами Н »2h, 2h-расстояние между центрами цилиндров в ряду; 2. Двухмерная модель изолированных рядов параллельных эквидистантных пар цилиндров радиуса а с расстоянием между рядами H»2h,H»2h\, 2h — расстояние между центрами пар цилиндров в ряду, 2hl — расстояние между центрами цилиндров в паре; 3. Трехмерная модель из двух рядов параллельных эквидистантных цилиндров радиуса а, повернутых под прямым углом относительно друг друга с расстоянием между рядами Л /г, 2h — расстояние между центрами цилиндров в ряду; 4. Двухмерная модель каскада импактора с круглыми разгонными соплами радиуса R и глубины Т (T/R 1), расположенными по окружности, и коллектором с центральным отверстием, отстоящим от разгонных сопел, на расстояние S (S/R 1, T/S 1) Двухмерная модель изолированных рядов параллельных эквидистантных цилиндров представлена на рис 2.2. Эта модель наиболее исследована в области Re « 1. Степень точности вычисления поля течения оценивали по величине безразмерной силы сопротивления на единицу длины волокна L в изолированном ряду (2.7). Из-за эквидистантности расположения цилиндров в ряду достаточно построить численную модель для одной расчетной ячейки размером h и длиной XL, чтобы описать поле течения в ряду.
Поле течения в этой модели фильтра было исследовано для a/h=0,1419 , а=2,5мкм и XL=80 a=200MKM. Выбор параметров расчетной области обусловлен Модель расчетной области была разработана в САПР SOLID WORKS, на основе которой с помощью встроенного в STAR-CD генератора расчетной сетки была подготовлена расчетная сетка, состоящая из ячеек призмообразной формы. Граничные условия расчетной области представлены на рис.2.3. В качестве граничных условий были выбраны следующие: «inlet» - условие входа потока в расчетную область, с фиксированным перепадом давления и компонентами линейной скорости {u,v}, u = u,v = 0, при х = 0; «outlet» - условие выхода потока из расчетной области, v = 0,/7 = 0 прих = X, ; «symmetry» - условие симметрии поля течения, при этом нормальные компоненты скорости и тензора вязких напряжений равны нулю, v = 0,а = 0 приy = h; «wall» - условие стенка, V =0 на поверхности цилиндра; Двухмерная модель изолированных рядов параллельных эквидистантных пар цилиндров представлена на рис 2.4. По аналогии с предыдущей моделью выделяем расчетную область в ряду. Поле течения в рассматриваемой модели фильтра было исследовано для двух случаев: a/h=0,2066, a/h 1=0,4132, а=2,5мкм иХь=80 а=200мкм.
Оценка и сравнение с экспериментальными данными коэффициента захвата частиц волокнами в двухмерных и трехмерных модельных фильтрах при промежуточных числах Рейнольдса
После оценки гидродинамических характеристик модельных фильтров были проведены расчеты коэффициента захвата для Re l и Re l с учетом конечного размера частиц. Расчеты инерционных коэффициентов захвата были выполнены для модельного фильтра с теми же параметрами (a/h = 0.1419, 2а = 8.9 мкм, 2h = 62.7 мкм), для которых проводились эксперименты [111] по измерению сил сопротивления (рис. 3.2) и осаждению частиц дибутилфталата с плотностью р = 1.045 г/см . Рассчитанные зависимости коэффициентов захвата частиц с плотностью р = 1 г/см для стоксова поля течения и поля течения при Re 1 даны на рис. 3.8 и рис. 3.9. Сплошные кривые 1 и 3 рассчитаны с учетом инерционности потока воздуха при нормальных условиях, пунктирные кривые рассчитаны для стоксова поля течения. Для больших значений параметра зацепления R — 0.2 — 0.4 расхождение сплошных и пунктирных кривых в диапазоне St = 0.7 — 10 очень незначительное, поскольку числа Рейнольдса, соответствующие этим значениям St, не превышают единицы (Re 1), Экспериментальные данные, полученные в стоксовом режиме осаждения, имеют погрешность, соизмеримую с разницей коэффициентов захвата, оцененной по первой и третьей кривой (рис.3.8). Совершенно иная картина наблюдается в случае более мелких частиц, то есть малых параметрах зацепления R. Здесь различие сплошных и пунктирных кривых имеет место при меньших значениях чисел Стокса, и в области St — 1 коэффициенты захвата отличаются более, чем на порядок величины, особенно в случае R 0.1, когда Re 1.
Более того, мы видим, что сплошные кривые пересекаются, поскольку меньшим частицам при одинаковом числе St соответствует большая скорость (возрастает Re). Таким образом, видно, сколь существенно сказывается учет истинного поля течения при Re 1 на значение величины коэффициента захвата п. В этом случае величина л зависит не только от St и і?, но и от числа Re, значение которого в каждой точке на кривой разное. На рис. 3.10 показано влияние неоднородности расположения волокон в ряду на осаждение частиц (R — 0.2). Кривые 7 и 2 относятся к упорядоченной структуре, а кривые 3 и 4 - к ряду, в котором четные волокна придвинуты к нечетным. Зазор между ними равен 0.2а. Из рис. 3.10 видно, что неоднородность расположения волокон в ряду резко понижает эффективность улавливания частиц. Таким образом, величина коэффициента захвата зависит не только от a/h, от структуры, от параметров St и і?, но и от числа Рейнольдса, причем, чем меньше R, тем больше сказывается Re (рис. 3.9). Кроме того, следует учитывать, что, чем меньше a/h, тем при меньшем Re перепад давления на фильтре становится нелинейной функцией скорости. Результаты исследования показывают, что в случае использования волокнистых фильтров в качестве инерционных пробоотборников для анализа дисперсности радиоактивных аэрозолей, отбор целесообразно вести при скорости, удовлетворяющей выполнению стоксова режима течения газа через фильтр, когда осаждение частиц в фильтре с известными параметрами определяется только двумя переменными числом Стокса и параметром зацепления R.
Показано также, что при нарушении однородности расположения волокон в ряду происходит рост отношения Ар/U при меньших значениях Re и имеет место более резкий рост л от St, чем в упорядоченных системах волокон. Это следует учитывать при расчете осаждения частиц, поскольку существующие аналитические и эмпирические формулы получены для стоксова течения воздуха через фильтр. Как было показано в разделе 3.2, даже в модельных фильтрах в режиме аналитической фильтрации коэффициент инерционного захвата частиц, а значит и эффективность осаждения зависят не только от числа Стокса, но и от числа Рейнольдса. Кроме того, микронеоднородности в структуре фильтра тоже оказывают влияние на коэффициент захвата. Для реальных фильтров все эти эффекты будут вносить существенную неопределенность при оценке эффективности осаждения аэрозольных частиц на волокнах. Поэтому зависимость эффективности осаждения от аэродинамического диаметра частицы для реального фильтра может быть получена только с помощью экспериментальных исследований. Общей проблемой оценки эффективности осаждения аэрозольных частиц на волокнистых фильтрах является экспериментальная проверка материалов ФП на специальных стендах. Многие экспериментальные зависимости эффективности осаждения аэрозольных частиц получены для стоксовых режимов течения (U 1 см/с ) характерных для фильтровальных систем [112] или же были получены на стендах, которых на сегодняшний день морально устарели. Из-за того, что материал ФП обладает неоднородной структурой при изготовлении новых партий материалов, требуется проведение контрольных измерений для оценки эффективности осаждения аэрозольных частиц или величины проскока.
Особенно остро эта проблема встает для полупроницаемых фильтров из материалов ФП, обладающих избирательностью по отношению к аэрозольных частицам, в условиях высокоскоростной аналитической фильтрации. Эта проблема может быть решена с использованием современных стендов для оценки эффективности волокнистых фильтров из материалов ФП. Для оценки эффективности осаждения аэрозольных частиц на пакете фильтров из материалов ФП был использован испытательный стенд фирмы ТЭЦМодель 3160) и полученные результаты сравнены с теоретическими расчетами для веерной модели [21]. В исследованиях была рассмотрена композиция пакета фильтров для дисперсного анализа аэрозолей, выпускаемых лабораторией аэрозолей НИФХИ им. Л.Я.Карпова. Композиция состоит из трех фильтров (АФА-ЗДА-0,15(голубой фильтр, изготовленный из материала ФПА-70-0,15), АФА-ЗДА-0,25(розовый фильтр, изготовленный из материала ФПА-70-0,25), АФА-РМА-20(белый фильтр, изготовленный из материала ФПА-15-2,0). В композиции фильтры располагают по ходу воздушного потока в порядке возрастания их стандартного аэродинамического сопротивления [dp]. Величины [dp] для первого и второго фильтров, выраженные в
Оценка и сравнение с экспериментальными данными эффективности осаждения частиц в трехмерных моделях каскадов персонального импактора
Эффективность осаждения частиц в импакторе зависит от числа Стокса St, определяющего вероятность инерционного осаждения аэрозольных частиц на препятствии. Важнейшим параметром в теории импакторов fsT является величина 50, определяющая эффективность 50 %-го осаждения fsT частиц. Если для оценки параметра 50 достаточно использовать результаты теоретических расчетов Марпла, Райдера и Ли [83,84,85], то ,А JsF для оценки зависимости эффективности осаждения частиц от или от диаметра частицы dp требуется проведение экспериментов. Форма кривой осаждения определяет избирательную способность каскада импактора по отношению к аэрозольным частицам. В работе [115] было проведено экспериментальное исследование инерционного осаждения частиц в персональном импакторе. Эти данные будут сопоставлены здесь с нашими теоретическими расчетами, выполненными с помощью CFD кода STAR-CD и результатами расчетов Марпла, Райдера и Ли [83,84,85]. На рис.3.17 и 3.18 представлены результаты расчета эффективности осаждения частиц Е плотностью 1 и 4,8 г/см в зависимости от параметра St для Re=100 и 1000, соответственно. Видно, что результаты моделирования, полученные с помощью STAR-SD, хорошо согласуются с расчетами [83] для Re=100 и немного хуже — с расчетами для Re=1000. Некоторые исследователи (например [115]) отмечают, что с ростом Re степень согласованности результатов Радера и Марпла с расчетами по CFD кодам снижается. Действительно, Радер и Марпл в своих расчетах не учитывают, что течение несжимаемой жидкости в сопле уже при Re 1500, может проявлять турбулентные свойства [116]. Поэтому ламинарная модель течения в этой области чисел Рейнольдса становится неприменима. Профиль скорости в разгонном сопле приведен на рис.3.19 видно, что профиль скорости не является строго параболическим, поэтому поле течения уже не является строго ламинарным. На рис.3.20 представлены результаты расчета эффективности осаждения частиц от параметра для чисел Рейнольдса в разгонном сопле более 1000.
Видно, что хотя инерционные силы при Re 1000 не оказывают сильного влияния на [sT St значение параметра 50 , форма кривой осаждения меняется, и расчетные кривые, полученные при моделировании, имеют иную форму, чем это следует из теоретических расчетов [83,85]. При этом значение параметра St 50 изменяется слабо и хорошо согласуется с теоретическим. Это St подтверждает сравнение результатов оценки значений параметра лу 50 для Таким образом, результаты, полученные с помощью, изложенного метода расчета практически полностью совпадают с расчетами Радера и Марпла [83] в области Re 1000 и расходятся при Re 1000. Кроме этого, результаты исследования показывают, что значения параметра St50 , рассчитанные с помощью CFD кода STAR-CD, совпадают с результатами работы [83] для частиц различной плотности в широком диапазоне чисел Рейнольдса по потоку. Для использования изложенного метода в реальных импакторах необходимо провести, особенно в области Re 1000, сравнение результатов моделирования по CFD коду STAR-CD с данными экспериментального исследования. Для этой цели в качестве объекта исследования была выбрана конструкция разработанного нами персонального импактора. Экспериментальные значения характеристик поля течения в разгонных соплах, приведены в таблица 3.3 На рис.3.21 представлено течение в разгонном сопле при Re=1800. Для экспериментальной проверки результатов моделирования были использованы аэрозольные частицы селена с плотностью - 4,5 г/см . Использование частиц селена дает возможность в лабораторных условиях изучать процессы осаждения инерционных (тяжелых) аэрозольных частиц. Осаждение частиц селена происходило непосредственно на стальную поверхность коллекторной пластины. На рис.3.22 представлена схема экспериментальной установки. Установка состоит из генератора ядер конденсации 1, камеры конденсации паров селена 2, буферной емкости 3, счетного блока 4, дифференциального мембранного манометра 5, систем очистки воздушного потока на входе в систему 6 и сброса из системы 7.
Генератор ядер конденсации выполнен в виде Т-образной кварцевой NaCl. В качестве газа носителя выбран азот, так как при использовании воздуха селен переходит в оксид селена. Рабочая температура в генераторе ядер конденсации составляет 280С. Для предотвращения коагуляции и выравнивания частиц по размерам в Т-образную трубку помещено сопло с дополнительным нагревательным элементом (так называемый перегреватель), рабочая температура которого равна 400С. Генератор производит монодисперсные частицы NaCl с размером 0,015±0,001мкм и счетной концентрацией порядка 10 см" . Частицы NaCl поступают в камеру конденсации, где аэрозоль смешивается с парами селена, получаемыми в результате его нагрева до температуры 320С, и в которой пары селена осаждаются на частицах NaCl. Камера конденсации представляет собой стеклянную трубку диаметром 50мм и длинной 1200мм, которая помещена в электрическую печку. Нагревательный элемент имеет две температурные зоны: первая — для получения паров селена, вторая — для предотвращения осаждения пара на стенках и увеличения зоны конденсации. Такая конструкция позволяет получать аэрозольные частицы селена с высокой степенью монодисперстности и размерами до 1,0 мкм. Размер частиц можно регулировать путем изменения рабочих параметров, таких как температура и расход потока ядер конденсации. На выходе из камеры конденсации аэрозоль смешивается с очищенным воздухом в соотношениях от 1/1 до 1/10 для предотвращения коагуляции и установления необходимого объемного расхода. Температура регулируется с помощью двухканальных измерителей-регуляторов ОВЕН 2ТРМ1А-Н.ТП.Р, а расхода газа измеряется ротаметрами РМА-0,063г. После камеры конденсации смонтирована буферная емкость для защиты от возможных перепадов давления в магистралях. Далее аэрозоль проходит через исследуемый персональный импактор 8. Перепад давления
