Введение к работе
Актуальность работы В промышленной экологии одной из научных и практических проблем является разработка систем аспирации сниженной энергоемкости. Главным элементом систем аспирации является местный вентиляционный отсос (МВО), служащий для улавливания загрязняющих веществ в непосредственной близости от источника их образования. Энергоемкость МВО связана линейной зависимостью с расходом воздуха, протекающего через его всасывающее отверстие (производительность МВО). Производительность МВО должна быть такова, чтобы снизить концентрацию загрязняющих веществ в производственном помещении до уровня предельно допустимой концентрации при минимальных энергозатратах. Заметим также, что в МВО закрытого типа (аспирационных укрытиях) целесообразно снизить вынос пылевых аэрозолей в аспирационную сеть, т.е. использовать аспирационное укрытие как камеру предварительной очистки воздуха от пыли. Такого эффекта можно достичь использованием различных экранирующих козырьков и использованием вращающихся цилиндров и цилиндров-отсосов. Поэтому необходимы наиболее точные сведения о поле скоростей воздуха вблизи всасывающих отверстий и о поведении пылевых аэрозолей внутри области течения.
Методы расчета пылегазовых течений вблизи всасывающих отверстий МВО в большинстве случаев основываются на модели идеальной несжимаемой жидкости. При этом в случае расчета МВО от цилиндрических деталей чаще всего пренебрегают циркуляционными течениями, возникающими вследствие их вращения. Перспективными для расчета МВО являются две разновидности метода сингулярных интегральных уравнений: метод граничных интегральных уравнений (ГИУ) и метод дискретных вихрей (МДВ). Эти методы позволяют построить поле скоростей в многосвязных областях со сложными границами с учетом вращающихся цилиндров и вихревых нестационарных структур, распространяющихся в воздушном потоке. Путем интегрирования уравнений движения пылевых частиц разной геометрической формы и плотности в данном воздушном потоке можно проследить динамику пылевых аэрозолей с течением времени, определить их дисперсный состав и концентрацию во всасываемом МВО потоке воздуха, что необходимо для научно-обоснованного выбора пылеулавливающих устройств.
Результаты научных исследований, представленных в диссертационной работе, получены в ходе выполнения гранта Президента РФ МД-5015.2006.8 «Численное моделирование вихревых пылегазовых течений в системах вентиляции промышленных предприятий» (2006-2007) и гранта РФФИ №05-08-01252а «Аэродинамика нестационарных пылегазовых потоков в системах аспирации» (2005-2007), что подтверждает актуальность выполненного диссертационного исследования.
Цель работы: разработать и исследовать математическую модель, алгоритм ее численной реализации и компьютерную программу динамики пылевоздушных течений вблизи всасывающих отверстий для многосвязных
V74
областей, содержащих вращающиеся цилиндры, для решения задач эффективной локализации пылевых аэрозолей.
Для достижения цели поставлены следующие задачи.
-
Разработать математическую модель, вычислительный алгоритм и компьютерную программу расчета воздушных течений в многосвязных областях со сложной геометрией границ области течения, внутри которых содержатся вращающиеся цилиндры.
-
Разработать математическую модель, вычислительный алгоритм и компьютерную программу расчета движения одиночных пылевых частиц и полифракционных пылевых аэрозолей в спектре действия открытых и закрытых МВО от вращающихся цилиндрических деталей.
-
Исследовать влияние вращения цилиндра на воздушный поток, возникающий вблизи МВО открытого типа и поведение в этом потоке пылевых частиц.
-
Исследовать динамику пылевых частиц различной геометрической формы и плотности в воздушных потоках внутри аспирационных укрытий и оценить влияние механических экранов, вращающихся цилиндров и цилиндров-отсосов на пылеунос в аспирационную сеть.
-
Исследовать свойства математических моделей для построения поля скоростей воздушных потоков и динамики пылевых полифракционных аэрозолей в МВО закрытого типа и проверить их адекватность
-
Исследовать изменение дисперсного состава пылевых аэрозолей в аспирируемом от укрытия воздухе в зависимости от дисперсного состава пыли, поступающей в укрытие, различных конструктивных и кинематических параметров укрытий, в том числе с вращающимся цилиндром-отсосом.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. На основе метода ГИУ и интегрирования уравнения движения пылевых частиц разработаны математическая модель, вычислительный алгоритм и компьютерная программа расчета динамики пылевых частиц разных форм и плотности в плоских потенциальных течениях для многосвязных областей с полубесконечными и замкнутыми границами, содержащих вращающиеся цилиндры и цилиндры-отсосы. По разработанной компьютерной программе исследовано влияние вращающегося цилиндра на всасываемый воздушный поток. Выявлены закономерности улавливания пылевых частиц разной геометрической формы и плотности в зависимости от отношения скорости всасывания к линейной скорости вращения цилиндра. Определены величины максимального диаметра пылевых частиц, улавливаемых МВО для различных конструкций аспирационных укрытий. Предложены меры по снижению пылеуноса в аспирационную сеть.
2 На основе метода дискретных вихрей разработана математическая модель циркуляционных течений в замкнутой области с разными схемами расположения приточно-вытяжных отверстий и наличия выступа прямоугольной формы, протестирован алгоритм ее численной реализации и определены границы применимости МДВ для расчета вихревых течений в замкнутой области
3. Разработана математическая модель, вычислительный алгоритм и компьютерная программа расчета динамики пылевых аэрозолей в закрытых МВО, основанные на суперпозиции методов ГИУ, МДВ и численного интегрирования уравнений движения пылевых частиц разной дисперсности. Установлено, что величина максимального диаметра пылевой частицы уносимой в аспирационную сеть несущественно зависит от модели построения поля скоростей воздуха в аспирационных укрытиях. Определены закономерности изменения дисперсного состава аспирируемой пыли в зависимости от геометрических и кинематических параметров укрытия.
Практическая значимость работы состоит в разработке компьютерной программы для моделирования пылевоздушных течений в МВО разных типов при различных конструктивных и кинематических параметрах, снабженных вращающимися цилиндрами и цилиндрами-отсосами.
Установленные закономерности поведения пылевых аэрозолей в спектрах всасывания МВО различных типов могут быть использованы для проектирования эффективных систем аспирации сниженной энергоемкости.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс Белгородского государственного технологического университета им В.Г Шухова в курсы «Математическое моделирование процессов в системах теплогазоснабжения и вентиляции», «Компьютерное моделирование процессов в системах теплогазоснабжения и вентиляции».
Апробация работы. Отдельные результаты работы и диссертационного исследования в целом доложены на: международной научно-методической конференции «Опыт, проблемы, перспективы и качество высшего инженерного образования» (Белгород, Россия, 2006); международном симпозиуме «Методы дискретных особенностей в задачах математической физики» (Лазурное, Украина, 2007); международном симпозиуме «Экология 2007» (Бургас, Болгария, 2007), международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, Россия, 2007), научно-методических семинарах кафедр прикладной математики и технической кибернетики БГТУ им.В. Г. Шухова.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ, из которых 2 в изданиях рекомендованных ВАК РФ по научной специальности диссертационной работы [1,2] и 2 зарегистрированные компьютерные программы [17,18] (ОФАП №9662 и №10820)
Личный вклад автора заключается в постановке задач, их решении, в разработке математических моделей [1,5,6,12,13], вычислительных алгоритмов [2,9,11,15,16,17,18] и в результатах исследований [3,4,6,7,8,10,15,16]. Участие ведущих соавторов публикаций: д.т.н. профессора К.И.Логачева, к.т.н. Н.М.Анжеурова, к.т.н. А.И Пузанка, асп. В.Ю.Зоря заключалось в постановке задач, ^реализации вычислительных алгоритмов в виде компьютерных программ, обсуждении и интерпретации результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 117 наименований. Общий объем диссертации составляет 156 страниц, включая 99 рисунков и 6 таблиц.
