Разработка и исследование математических моделей виброкипящего слоя Орлова, Наталья Сергеевна

Введение к работе

Актуальность темы. Вредные технологические выбросы металлургических производств частично могут быть утилизованны, а частично должны поглощаться адсорбентами для того, чтобы не допустить их выброса в атмосферу. Одним из наиболее эффективных методов поглощения является виброкипение адсорбента и пропускание через него вредных газообразных выбросов.

В ФГБОУ «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет)» разработан способ очистки газов от вредных газообразных компонентов с помощью виброкипящего слоя, на который получен патент РФ. Также была предложена конструкция аппарата (адсорбера), основанная на таком способе очистки. Для определения рекомендуемых (с точки зрения обеспечения наибольшей поверхности контакта фаз) значений основных конструктивных параметров и режимов работы адсорбера необходимо теоретическое исследование процесса виброкипения слоя, которое возможно с помощью математического моделирования. В настоящее время отсутствует единая модель, описывающая процесс виброкипения при различных параметрах адсорбера. Поэтому разработка и исследование математических моделей, описывающих процесс виброкипения, с целью определения областей их применения, а также определения рекомендуемых параметров и режимов работы адсорбера представляется актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование математических моделей виброкипящего слоя, определение конструктивных параметров аппарата для очистки технологических выбросов промышленных производств и режимов его работы на основе результатов математического моделирования.

Для достижения данной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработаны и исследованы математические модели виброкипящего слоя и определены области их применения;

2. Построены численные схемы решения уравнений виброкипящего слоя;

3. Проанализированы состояния виброкипящего слоя сыпучей среды при различных значениях отношения толщины слоя засыпки к характерному размеру частиц, а также при различных режимах виброкипения;

4. Экспериментально проверены результаты математического моделирования виброкипящего слоя;

5. На основе результатов математического моделирования виброкипящего слоя выбраны рекомендуемые (с точки зрения обеспечения наибольшей поверхности контакта фаз) конструктивные размеры адсорбера, размер частиц адсорбента, толщина слоя засыпки адсорбента, а также режимы работы такого аппарата.

6. Создана программная реализация моделей виброкипящего слоя на языке высокого уровня Compaq Visual Fortran.

Методы исследования. Исследование виброкипящего слоя на основе континуального подхода с использованием двухжидкостной модели двухфазной среды и гидродинамической модели гранулярного газа. Решение нелинейных нестационарных начально-краевых задач с помощью разработанного комплекса программ на основе конечно -разностных методов. Проверка полученных результатов на экспериментальной установке для исследования виброкипящего слоя сыпучей среды.

Основные положения, выносимые на защиту.

В области математического моделирования:

6. 1. Модель виброкипящего слоя на основе двухжидкостного континуального подхода с использованием закона Дарси. Модель описывает поведение виброки- пящего слоя при использовании достаточно толстых слоев относительно мелких частиц, т.е. при больших значениях отношения толщины слоя засыпки к характерному размеру частиц.

   2. Гидродинамическая модель гранулярного газа для процесса виброкипения. Отличительной особенностью модели является ее применение в моделировании виброкипящих слоев относительно крупных частиц при небольших значениях толщины слоя засыпки, т.е. при небольших значениях отношения толщины слоя засыпки к характерному размеру частиц.

   3. Упрощенная модель гранулярного газа для процесса виброкипения. Отличительной особенностью модели является допущение о постоянстве гранулярной температуры во всем виброкипящем слое. Модель описывает распределение частиц в виброкипящем слое при толщине слоя засыпки порядка несколькиххарак- терных размеров частиц.

   В области численных методов:

   6. 4. Значения интерполяционных коэффициентов в численной схеме при вычислении средних величин в ячейке, позволяющие наилучшим образом описать экспериментальные данные виброкипящего слоя.

      В области программного обеспечения:

      6. 5. Программный комплекс для исследования динамики виброкипящего слоя, значительно снижающий требования к вычислительным ресурсам. Программный комплекс автоматизирует выбор наиболее подходящей модели для конкретного расчета.

         Достоверность и обоснованность. Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается корректностью постановки задач, методов их исследования и решения, а также сравнением с экспериментальными результатами.

         Научная новизна.

         6. 5. 1. Для исследования процесса виброкипения разработана модель виброкипя- щего слоя на основе двухжидкостного континуального подхода с использованием закона Дарси. Определена область применения модели (с. 57-84).

               2. Разработана гидродинамическая модель гранулярного газа для процесса виброкипения с учетом влияния газовой фазы. Определена область применения модели (с. 100-130).

               3. Разработана упрощенная модель гранулярного газа для процесса виброкипения с использованием допущения о постоянстве гранулярной температуры во всем виброкипящем слое. Определена область применения модели (с. 85-95).

               4. В численной схеме решения уравнений двухжидкостной модели на основе закона Дарси и гидродинамической модели гранулярного газа для процесса виброкипения впервые была использована интерполяционная формула при вычислении средних величин в ячейке. Были уточнены значения интерполяционных коэффициентов, позволяющие наилучшим образом описать экспериментальные данные виброкипящего слоя (с. 47-52, 60-62).

               5. Разработан программный комплекс для исследования динамики виброки- пящего слоя, значительно снижающий требования к вычислительным ресурсам.

               Программный комплекс автоматизирует выбор наиболее подходящей модели для конкретного расчета (с. 152-154).

               Практическая значимость работы.

               6. 5. 5. 1. С помощью разработанных моделей определены рекомендуемые (с точки зрения обеспечения наибольшей поверхности контакта фаз) режимы виброкипения.

                        2. Предложены рекомендуемые (с точки зрения обеспечения наибольшей поверхности контакта фаз) конструктивные параметры адсорбера, имеющего многополочную структуру, и выбраны рекомендуемые режимы его работы.

                        3. Разработан программный комплекс для численного моделирования динамики виброкипящего слоя.

                        Внедрение результатов работы. Основные научные и практические результаты работы получены в процессе выполнения научно-исследовательской работы «Решение задач механики сплошной среды и численные методы вычисления сингулярных интегралов» (гос. регистрационный номер - 01201264355) в ФГБУН Южный математический институт Владикавказского научного центра РАН и Правительства РСО-А. Результаты диссертационной работы использованы в ОАО «Кавказцветметпроект» в качестве рекомендаций по повышению эффективности процесса очистки вредных технологических выбросов металлургических производств в аппарате с виброкипящим слоем адсорбента; а также в учебном процессе на кафедре теоретической и математической физики физико- технического факультета ФГБОУ ВПО «Северо-Осетинский государственный университет им. К.Л. Хетагурова». Разработанный программный комплекс для численного моделирования динамики виброкипящего слоя зарегистрирован в Реестре программ для ЭВМ Российской Федерации [5].

                        Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на I Региональной междисциплинарной конференции молодых ученых «Наука - Обществу» (Владикавказ, 2010 г.); Международной конференции молодых ученых «Математический анализ и математическое моделирование» (Владикавказ, 2010 г.); II и III Международных научно-практических конференциях «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Владикавказ, 2011 и 2012 гг.); XV Международном симпозиуме «Методы дискретных особенностей в задачах математической физики» (Херсон, Украина, 2011 г.); Международной научной конференции «Теория операторов, комплексный анализ и математическое моделирование». (Волгодонск, 2011 г.); VII и VIII Региональных школах-конференциях молодых ученых «Владикавказская молодежная математическая школа» (Владикавказ, 2011 и 2012 гг.); XII и XIII Международных научно-технических конференциях «ИТ-технологии: развитие и приложения» (Владикавказ, 2011 и 2012 гг.); научном семинаре Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса "Комплексные исследования и разработка методов обработки данных с использованием математического и имитационного моделирования" (Ростов-на- Дону, 2012 г.); XVI Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды» (Ростов-на-Дону, 2012 г.); Конференциях по итогам научно-исследовательской работы Северо-Осетинского государственного университета им. К.Л. Хетагурова (Владикавказ, 2008-2012 гг.); научном семинаре Южного математического института Владикавказского научного центра РАН и Правительства РСО-А «Математическое моделирование и численные методы» (Владикавказ, 2007-2013 гг.)

                        Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 22 работы, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов, и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013614314 [5]. Из них три статьи [1-3] опубликованы в изданиях, входящих в «Перечень ведущих научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации», и одна статья [4] - в зарубежном научном журнале, включенном в базу данных рефератов и цитирования Scopus.

                        Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 178 страниц, включая 10 таблиц, 65 рисунков и список литературы из 157 наименований.

                        Похожие диссертации на Разработка и исследование математических моделей виброкипящего слоя

                        

                        Статистические модели и методы исследования переноса загрязнений в приземном слое атмосферыЯнковская Лариса Константиновна

                        

                        Исследование свойств дисперсионных соотношений в асимптотической модели неклассического пограничного слояЧернышев, Антон Владимирович

                        

                        Разработка и исследование математических моделей, создание программного обеспечения для управления объектами в металлургииЩипанов Кирилл Александрович

                        

                        Разработка и исследование моделей и алгоритмов кодов коррекции многократных ошибокТугуж Уаэль Хериддин

                        

                        Разработка и исследование модели анализа проектов крупномасштабных комплексовБагдасарян Армен Георгиевич

                        

                        Разработка и исследование моделей поведения динамических объектов на основе интеллектуального анализа видеопотоков данныхЦелых Юлия Александровна

                        

                        Разработка и исследование моделей информационного центра системы наблюдения надводного суднаЧекал Елена Георгиевна

                        

                        Исследование математических моделей, разработка алгоритмов и интерфейса программного комплекса обработки звуковых фрагментов в формате MIDIЧибирев Сергей Владимирович

                        Исследование математических моделей, разработка алгоритмов и интерфейса программного комплекса обработки звуковых фрагментов в формате MIDIЧибирёв Сергей Владимирович

                        Разработка и исследование моделей систем управления параметрами котлоагрегата на основе математического аппарата теории нечетких множествВладыко, Андрей Геннадьевич