Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ 6
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МАТЕМАТРЇЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВА
НИЯ ОБЕСПЫЛИВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ВОЗДУШНОЙ
СРЕДЫ, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ. ..13
Анализ и формализация процессов выделения газовзвесей 13
Обзор существующих математических моделей систем обеспыливания промышленных объектов 23
Системный подход к моделированию процессов комплексного обеспыливания производственной воздушной среды 38
Задачи исследования и методологические основы работы 42
Выводы 45
2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ФОРМИРОВАНИЮ
МАТЕМАТРІЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССОВ ОБЕСПЫЛИВАНР1Я..47
Основные положения математического и компьютерного моделирования течений малоконцентрированных газовзвесей 47
Исследование аэродинамики систем обеспыливающей вентиляции 52
Моделирование плоских течений газа в потенциальном приближении 52
Исследование неизотермических турбулентных потоков воздуха 62
2.3. Математическое моделирование свойств дисперсной фазы
аэрозолей 78
Закономерности распределения частиц промышленных аэрозолей по размерам 78
Аэродинамические свойства частиц несферической формы 84
Анализ механизмов коагуляции частиц аэрозолей 91
Упорядоченное движение частиц грубодисперсных аэрозолей (метод траекторий) 96
Имитационное моделирование движения частиц тонкодисперсной пыли в турбулентных потоках воздуха 102
Исследование дисперсной фазы аэрозоля в приближении сплошной среды 107
Выводы 123
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ
ЛОКАЛИЗАЦИИ ИСТОЧНИКОВ ПЫЛЕВЫДЕЛЕВЫДЕЛЕНИЯ 125
3.1. Моделирование систем аспирации узлов перегрузки сыпучих
материалов 125
Исследование процесса эжекции воздуха при движении гравитационных потоков сыпучих материалов 125
Прогнозирование параметров аспирируемой пыли 131
Моделирование рециркуляционных систем аспирации 135
Моделирование и расчет местных отсосов от диффузионных источников выделения пыли и теплоты 142
Деформация плоской струи в сносящем потоке воздуха
и основы расчета воздушно-струйных ограждений 148
3.5. Выводы 159
4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВАКУУМНОЙ
ПЫЛЕУБОРКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ 161
Исследование процесса гравитационного осаждения полидисперсной пыли 161
Математическое моделирование аэродинамического диспергирования осевшей пыли 166
Моделирование рабочего процесса пылеуборочного насадка 171
4.4. Численное моделирование движения запыленных потоков
в пневмотранспортных трубопроводах 175
4.5. Выводы.. 186
5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО
УЛАВЛИВАНИЯ НАЛИПАЮЩИХ ПЫЛЕЙ 187
Аэродинамические свойства центробежных пылеуловителей 187
Прогнозирование фракционной эффективности центробежных уловителей налипающих пылей 200
Моделирование процесса залипання центробежных пылеуловителей 207
Электрическая интенсификация процесса центробежного пылеулавливания 211
Выводы 222
6. МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЕСПЫЛИВА
НИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ 224
Исследование движения воздушных потоков, распределения концентрации пыли и температуры во внутрицеховом пространстве 224
Численное моделирование рассеивания аспирационных и транспортных пылевых выбросов на промышленных площадках 233
Выводы 240
7. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ И ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ
МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПО ДАННЫМ
НАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ 241
Особенности оценки параметров и установления адекватности моделей систем обеспыливающей вентиляции 241
Местная вытяжная вентиляция 253
Централизованная вакуумная пылеуборка поверхностей 258
Центробежный уловитель налипающих пылей 265
Общеобменная вентиляция производственных помещений с пыле-выделениями 270
Выводы 272
8. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ
КОМПЛЕКСНЫХ СИСТЕМ ОБЕСПЫЛИВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕН
НЫХ ПОМЕЩЕНИЙ 274
Исходные положения и технико-экономические предпосылки моделирования комплексных систем обеспыливания производственных помещений 274
Исследование моделей комплексных систем обеспыливания производственных помещений 282
Метод определения оптимальных параметров комплексных систем обеспыливания производственных помещений 290
Структура математического обеспечения исследований обеспыливающей вентиляции 304
Выводы 310
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 311
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 314
ПРИЛОЖЕНИЯ 344
Введение к работе
Выполненная работа посвящена разработке методологии построения и анализа математических моделей систем обеспыливания промышленных объектов, как инструмента разработки новых технических решений, направленных на повышение эффективности систем обеспыливающей вентиляции.
Актуальность темы исследования. Технологические процессы в строй-индустрии, горнодобывающей, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности сопровождаются интенсивным пылевыделением, загрязняющем воздушную среду производственных помещений, атмосферу и сопредельные среды, что оказывает пагубное влияние на природу и здоровье населения, приносит большой экономический ущерб.
Многие из применяемых в настоящее время систем обеспыливающей вентиляции по своей эффективности и энергопотреблению не отвечают современным требованиям и нуждаются в замене или коренной реконструкции. Перспективным направлением модернизации обеспыливающей вентиляции является устройство комплексных систем обеспыливания, рационально сочетающих различные подсистемы и технические средства борьбы с пылью. В виду сложности комплексных систем обеспыливания, большого числа переменных и ограничений, неполноты и вероятностного характера исходной информации, разработка этих систем возможна лишь на основе достаточно полных математических моделей, реализуемых с помощью ЭВМ в виде вычислительных экспериментов.
Используемые в настоящее время математические модели процессов обеспыливания, как правило, основаны на уравнениях материального баланса или упрощенных теоретических представлениях о движении потоков газовзвеси. Они недостаточно учитывают аэродинамические свойства газодисперсных потоков, физико-механические особенности взвешенных частиц и турбулентное перемешивание дисперсной фазы. Эти модели описывают свойства объектов в узком диапазоне изменения параметров, поэтому они не могут быть использованы для поиска оптимальных вариантов комплексных
7 систем обеспыливания. Необходимы более полные и адекватные математические модели, основанные на совместном рассмотрении аэродинамики потоков газовзвеси и происходящих в них явлений тепломассопереноса.
Вышеизложенное свидетельствует об актуальности темы исследований, направленных на решение проблемы построения и изучения математических моделей процессов обеспыливающей вентиляции и очистки запыленных выбросов.
В диссертации приведены результаты научных исследований, выполненных в 1976 - 2004 гг. на кафедре высшей математики, в лабораториях вентиляции и очистки воздуха и механики аэрозолей при кафедре теплогазо-снабжения и вентиляции БелГТУ в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных работ, комплексными профаммами "Человек и окружающая среда", координационными планами научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ в области охраны труда и защиты окружающей среды в промышленности строительных материалов, а также в рамках межвузовской научно-технической профаммы "Строительство и архитектура" по теме "Разработка методологических основ, технических условий и рекомендаций по реконструкции и модернизации обеспыливающей вентиляции производственных помещений" (1995-1997 гг., № гос. per. 01950000252) и госбюджетной НИР "Исследование процессов и развитие теории комплексного обеспыливания воздуха с целью минимизации негативного воздействия пылевого зафязнения на окружающую среду и человека" (1998 - 2000 гг., № Гос. per. 01990005602).
Настоящая работа основана на фундаментальных положениях вычислительной аэродинамики, механики гетерогенных сред, математического и компьютерного моделирования, развитых в работах О.М. Белоцерковского, В.М. Волощука, В.В. Кафарова, Л.М. Левина, Г.И. Марчука, Е.П. Медникова, Р.И. Нигматулина, А.А. Самарского, Л.И. Седова, А.Д. Чернышева, Н.А. Фукса, а также учтены результаты исследований в области обеспыливания воздушной среды, полученные в трудах А.Ю. Вальдберга, М.И. Гримитлина, Ю.Г. Грачева, М.П. Калинушкина, Л.С. Клячко, Ю.В. Красовицкого,
8 Д.В. Коптева, П.А. Коузова, И.Н. Логачева, В.А. Минко, А.И. Пирумова, В.Н. Ужова и других.
Цель работы. Разработка методологии построения, исследования, численной и программной реализации математических моделей систем обеспыливания промышленных объектов, обеспечивающих решение научно-технических задач по снижению пылевого зафязнения производственной среды.
Указанная цель достигается путем решения следующих задач:
разработка методологии формирования математических моделей обеспыливания промышленных объектов на основе фундаментальных положений механики аэрозолей, уравнений аэродинамики и тепломассопереноса в гетерогенных средах;
разработка методик построения, анализа и применения математических моделей основных технических средств обеспыливания производственной среды;
разработка методов проведения и анализа результатов экспериментальных и опытно-промышленных исследований систем обеспыливающей вентиляции, позволяющих идентифицировать параметры математических моделей и проверить их адекватность;
разработка методики исследования математических моделей комплексных систем обеспыливания производственных помещений;
разработка алгоритмического и программного обеспечения для численной реализации математических моделей процессов и систем обеспыливания;
разработка и внедрение расчетных методик, технических решений и рекомендаций по обеспыливанию производственной воздушной среды.
Основная идея работы заключается в системном подходе к моделированию обеспыливания производственной среды, согласно которому все применяемые для этого технические средства и мероприятия рассматриваются как звенья единой системы, анализируются на основе единых модельных пред-
9 ставлений, что позволяет разработать алгоритмы взаимосвязанного расчета и оптимизации всего комплекса средств обеспыливания.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования, вычислительной аэродинамики, уравнения механики гетерогенных сред, методы статистической обработки результатов экспериментов и натурных обследований.
На защиту выносятся:
методология построения математических моделей систем обеспыливающей вентиляции и очистки запыленных выбросов, основанная на анализе свойств аэродисперсных систем, аэродинамики несущей среды и процессов тепломассопереноса;
результаты математического моделирования физико-механических свойств промышленных аэрозолей;
методики построения, исследования и применения математических моделей основных элементов и подсистем обеспыливающей вентиляции;
методы планирования лабораторных и промышленных экспериментов, идентификация параметров и проверки адекватности математических моделей по данным натурных измерений;
принципы формирования и исследования свойств математических моделей комплексных систем обеспыливания производственных помещений;
разработанные на основе результатов математического моделирования уточненные методики расчета систем обеспыливающей вентиляции и новые технические средства обеспыливания промышленных объектов;
методы проведения вычислительных экспериментов и оптимизационных расчетов, алгоритмы и комплекс программ для их реализации, структура математического обеспечения САПР обеспыливающей вентиляции.
Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:
- разработаны методологические подходы к построению математических
моделей процессов обеспыливания производственной воздушной среды, от-
личающиеся учетом специфических свойств промышленных аэрозолей, совместным рассмотрением аэродинамики газодисперсных потоков и явлений тепломассопереноса в двухфазных средах;
осуществлено математическое моделирование физико-механических и аэродинамических свойств дисперсной фазы аэрозолей, в результате которого получены новые выражения для функции распределения частиц по размерам, коэффициентов формы и турбулентной диффузии частиц;
выполнено математическое моделирование осаждения частиц слипающихся пылей в полях центробежных и электрических сил, отличающиеся совместным рассмотрением процессов движения, зарядки и коагуляции частиц;
предложен метод имитационного моделирования систем обеспыливания, отличающийся совместным учетом упорядоченного переноса и турбулентного перемешивания частиц;
разработан метод определения производительности и эффективности местных отсосов от укрытий пылевыделяющего оборудования, отличающийся учетом диффузионного рассеивания частиц;
предложен метод идентификации параметров математических моделей обеспыливающей вентиляции производственных помещений, отличающийся анализом результатов натурных исследований ее нестационарных режимов;
- создана методика построения и исследования математических моделей
комплексных систем обеспыливания производственных помещений, отли
чающихся рассмотрением диффузионного выноса пыли из аспирационных
укрытий, учетом поверхностного пыления и неоднородности распределения
концентрации пыли. В рамках моделей решена задача минимизации энерго
затрат.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
- на основе методологических принципов построения и применения матема
тических моделей систем обеспыливающей вентиляции разработаны методи
ки их уточненного расчета и оптимизации, которые применяются в практике
работы проектного института Центрогипроруда (г. Белгород);
- рекомендации, выводы и научные результаты работы использованы при
разработке нормативных материалов по проектированию обеспыливающих
систем;
по результатам теоретических исследований разработаны технические решения, направленные на повышение эффективности и снижение энергоемкости систем местной вытяжной вентиляции и очистки запыленных аспира-ционных выбросов, которые внедрены при создании новых и реконструкции действующих систем обеспыливания на предприятиях стройиндустрии (ЗАО "БелЦемент"), машиностроения (ОАО "Белэнергомаш") и горнодобывающей промышленности (горнообогатительные комбинаты КМА);
внедрение результатов исследований позволяет снизить энергоемкость обеспыливающих систем на 20-25 % при существенном снижении запыленности вентиляционных выбросов;
разработан комплекс прикладных программ для моделирования, расчета и оптимизации технических средств обеспыливающей вентиляции и газоочи-ски, который может быть использован при разработке систем их автоматизированного проектирования, контроля и управления;
результаты выполненных исследований использованы при разработке курсов лекций, трех учебных пособий и десяти выпусков методических указаний по дисциплинам "Промышленная вентиляция и пневмотранспорт", "Аэродинамика вентиляции и механика аэрозолей", "Компьютерное моделирование систем теплогазоснабжения и вентиляции", "Теоретические основы САПР" для подготовки инженеров по специальностям 170509 - машины и оборудование промышленной экологии и 290700 - теплогазоснабжение и вентиляция.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях Белгородского технологического института строительных материалов (1981-1991 г.г.); семинаре кафедры техники высоких напряжений и проблемной лаборатории сильных электрических полей Московского энергетического института (Москва, 1982
12 г.); Всесоюзной конференции "Очистка газовых выбросов от пыли на предприятиях различных отраслей промышленности" (Москва, 1983 г.); заседаниях зонального семинара Приволжского Дома научно-технической пропаганды (Пенза, 1985 - 1987); V Всесоюзной конференции "Аэрозоли и их применение в народном хозяйстве" (Юрмала , 1987); международной конференции "Интенсификация подъемно-транспортных и строительных машин" (Казан-лык, НРБ, 1988); IV Международной конференции по пневматическому транспортированию (Будапешт, 1990); Республиканской конференции "Научные достижения в строительстве и внедрение их результатов" (Вильнюс, 1990); Всесоюзной научно-технической конференции "Обеспыливание воздуха и технологического оборудования в промышленности" (Ростов — на — Дону, 1991); Второй Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Москва, 1994); Международном конгрессе "Экологическая инициатива" (Воронеж -РФ, штат Канзас-США, 1996); Международной научно-технической конференции "Высокие технологии в экологии" (Воронеж, 1998), Международных конференциях в БелГТУ, (Белгород, 1994- 2002).
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации изложены в 85 научных работах, из которых 32 - основополагающих, в том числе монография, 3 учебных пособия, 3 авторских свидетельства и патент РФ, 14 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования РФ. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 разделов, заключения, списка использованной литературы из 308 наименований, 95 рисунков, 30 таблиц и приложения. Общий объем работы - 356 страниц.
