Введение к работе
Аннотання, В работе на основе экспериментального и теоретического исследования представлены физические основы моделирования и инженерные методы расчета измельчения в вихревой камере.
Исследованы поля скоростей и интегральные характеристики течения в вихревой камере типа газовой форсунки. Проанализированы и обобщены на сжимаемые течения эвристические принципы для описания радиуса циркуляционной зоны при разомкнутом истечении в присоединенную трубу. Предложен вариационный принцип для установившихся закрученных и плоских потоков.
На примере измельчения плавленного кварца с помощью специально разработанной диагностики, основанной на регистрации импульсов триболюминесценщга, установлен закон низкоскоростного измельчения и косвенно выявлена структура поверхности частиц при измельчении.
Предложена и апробирована каскадная модель измельчения, с помощью которой расчитано движение двухфазного потока в вихревой мельнице. Предложены формулы для масштабного моделирования мельниц.
Выявлены применения низкоскоростного измельчения.
Актуальность проблемы. Изучение и моделирование процессов в вихревых камерах актуально как в научном так и в прикладном планах; вихревые аппараты являются предметом изучения в связи с многочисленными приложениями с одной стороны и сложностью протекающих в них процессов, с другой стороны. С точки зрения гидро- и аэродинамики вихревой камеры большой интерес представляет описание центральной области, в частности, определение радиуса циркуляционной зоны. Прямое численное моделирование здесь достаточно сложно и для приложений актуальны упрощенные подходы, например использование эвристических принципов, таких как Принцип максимума расхода (Г.Н. Абрамович, 1944) и Принцип минимума кинетической энергии (МА. Гольдштик, А.К Леонтьев, И.И. Палеев, 1961). До последнего времени публикуются работы, в которых на основе этих и аналогичных подходов предлагаются инженерные формулы для расчета разомкнутых закрученных
потоков, в частности, для истечения из вихревой камеры (Vatistas G.H., Lin S., Kwock C.K., 1986). Понимание физического смысла эвристических формул актуально для их адекватного применения и обобщения на более сложные течения.
Измельчение сегодня является одной из распространенных и весьма энергоемких технологических операций. Появление новых материалов и новых технологий их переработки требует создания методов промышленного измельчения таких материалов, для которых традиционные измельчители не оптимальны или вовсе непригодны. Поэтому не прекращается изучение измельчения и разработка новых измельчителей.
В работе показано, что при низкоскоростном измельчении энергия удара расходуется на создание новой поверхности наиболее эффективно. Это позволяет надеяться на перспективность промышленных мельниц, использующих изученный механизм.
Цель работы заключалась в исследовании вихревого измельчения и создании методов расчета и моделирования вихревых измельчителей.
Научная новизна. В работе предложена новая концепция нвзкоскоростного измельчения, основанная ва представлении о каскадном механизме процесса:
Впервые сформулирован и с помощью новой методики экспресс-анализа удельной поверхности экспериментально установлен закон низкоскоростного измельчения. Одновременно апробирована каскадная модель процесса.
С помощью той же экспресс-диагностики косвенно выявлена внутренняя структура новой поверхности при измельчении, что ранее не делалось. Этими экспериментами также апробирована каскадная модель.
Предложен новый вариационный принцип, включающий Принцип минимума кинетической энергии для закрученного потока, справедливый и в случае плоского течения.
Расчет двухфазного потока в вихревой мельнице с помощью каскадной модели измельчения позволил предложить формулы для масштабного моделирования измельчителей, работающих на новой основе.
Практическая пеняоеть полученных результатов состоит, во первых, в приобретении новых знаний: это, в частности, понимание физического смысли Принципа минимума кинетической энерти при описании
истечения воздуха из вихревой камеры; это понимание особенностей низкоскоростного измельчения, которыми определяется его применение.
На основе полученных знаний удалось подобрать режимы работы и выявить области применения вихревой мельницы, а именно, применение ее при измельчении материалов, не допускающих высокоскоростное воздействие, например, термопластов, лекарственного и кондитерского сырья.
Автор выносит на зашиту следующие положения:
1. Усеченный принцип наименьшего действия как обобщение принципа
минимума кинетической энергии для истечения идеальной жидкости из
вихревой камеры.
1.1. Усеченный принцип наименьшего действия для плоских и сжимаемых течений. Формулировка и экспериментальная проверка.
2. Концепция низкоскоростного измельчения.
2.1. Каскадный механизм ударного измельчения при скоростях удара,
близких к порогу разрушения. Экспериментальное выявление.
2.2. Закон низкоскоростного измельчения. Формулировка и
экспериментальная проверка.
2.3. Экспериментальное выявление и математическое моделирование
внутренней структуры новой поверхности при измельчении.
-
Инженерные методы расчета вихревого измельчителя.
-
Выявление применений низкоскоростного измельчения.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинарах в ведущих институтах АН: институтский семинар под руководством академика Болдырева, ИХТИМС, Новосибирск, 1986.; Всесоюзный проблемный семинар "Разрушение горных пород" под руководством академика Е.И. Шемякина, Ленинград, 1989.
На всесоюзных и региональных конференциях: X Юбилейный Всесоюзный симпозиум по механоэмиссии и механохимии твердых тел, Ростов на Дону, 1986; региональная ярмарка-конференция научно-технических разработок и идей "Экология-89", Томск, 1989; Научно-технический семинар стран содружества Технологические проблемы измельчения и механоактивации", Могилев, 1992; На конференции, школе и выставке Комплекса научных и научно-технических мероприятий стран СНГ: Конференция. Семинар. Школа. Выставка.—Одесса, 1983.
Результаты по изучению истечения из вихревой камеры вошли в цикл работ "Однофазные вихревые течения", получивший диплом 3-ей степени на конкурсе фундаментальных работ СО АН СССР 1990-го года. Результаты прикладных исследований отмечены дипломом Института теплофизики за 1988 год. Разработка "Лабораторная Вихревая мельница" имеет диплом президиума СО АН СССР за 1990 год, а разработка "Вихревая мельница" имеет золотую медаль "Сибирской ярмарки" за 1991 год. Основное содержание диссертации изложено в девяти публикациях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 170 страницах, включающих 55 рисунков и библиографию из 138 наименований.