Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор способов и средств аспирации запыленных потоков в процессах производства сыпучих материалов и методов их расчета 14
1.1. Анализ существующих конструктивных решений при локализации пылевыделений в узлах перегрузок ленточных конвейеров 15
1.1.1. Конструкции устройств в виде желоба 16
1.1.2. Герметизационные системы аспирационных укрытий 26
1.1.3. Снижение выноса пылевидных фракций материала из укрытий 32
1.2. Классификация технических способов и средств снижения объемов аспирации при перегрузке сыпучих материалов 34
1.3. Современные методы моделирования процессов вблизи всасывающих каналов технологических устройств и общие принципы минимизации объемов аспирации при перегрузках сыпучих
материалов 39
Выводы по первой главе 47
2. Способ снижения пылевых выбросов с помощью перфорированного канала с байпасной камерой и его аналитическое обоснование 49
2.1. Одномерные уравнения динамики эжектируемого и рециркулируемого воздуха 50
2.2. Линеаризация уравнений относительного движения эжектируемого воздуха в перфорированной трубе 55
2.3. Численные исследования перфорированного канала с байпасной камерой 59
2.3.1. Оценка граничных условий 59
2.3.2. Частный случай эжекции воздуха в трубе с непроницаемыми стенками (Е = 0) 61
2.3.3. Осреднение функций и упрощение уравнений з
2.3.4. Особенности численного исследования 72
2.3.5. Линеаризация уравнения абсолютного движения эжектируемого воздуха 77
2.3.6. Сопоставление результатов интегрирования 80
2.4. Особенности эжекции воздуха в пористой трубе при линейном перетекании воздуха через ее стенки 86
2.4.1. Пористая труба без байпаса 88
2.4.1.1. Уравнения одномерного течения эжектируемого воздуха в пористой трубе 88
2.4.1.2. Обсуждение результатов исследований 92
2.5. Пористая труба с байпасной камерой 97
2.5.1. Аналитические решения 97
2.5.2. Численные исследования 100
2.5.3. Обсуждение результатов исследований 101
2.5.3.1. Особенности рециркуляции 102
2.5.3.2. Изменение скорости эжектируемого воздуха 108
2.5.3.3. Изменение давлений 112
Выводы по второй главе 114
3. Математическое моделирование отрывных течений на входе в щелевидный канал 120
3.1. Исследование влияния экрана на аэродинамическое сопротивление всасывающей щели 120
3.1.1. Вывод расчетных соотношений 120
3.1.2. Результаты расчета и их обсуждение 131
3.2. Моделирование струйного течения воздуха при входе в канал с козырьком и непроницаемым экраном 136
3.2.1. Построение расчетных соотношений 137
3.2.2. Результаты расчета и их обсуждение 143
3.3. Закономерности отрывного течения при входе в выступающий канал с экранами 147
3.3.1. Вывод расчетных соотношений 147
3.3.2. Результаты исследований 158
Выводы по третьей главе 163
4. Способ управления отрывными течениями на входе в неплотности аспирационных укрытий и его теоретическое исследование 165
4.1. Отрыв течения на входе в плоский выступающий всасывающий канал 166
4.2. Бесциркуляционное обтекание профиля в спектре щелевидного всасывающего канала 172
4.2.1. Вывод основных расчетных соотношений 172
4.2.2. Исследование отрывного течения на входе в плоский канал с двумя козырьками 176
4.3. О циркуляционном и безударном обтекании профилей, находящихся в спектре действия всасывающего канала 179
4.3.1. Описание вычислительного метода 179
4.3.2. Исследование отрывного течения на входе в выступающий канал с вертикальным профилем 184
4.4. Об отрывном обтекании профилей, находящихся в спектре действия всасывающего канала 188
4.4.1. Вычислительный алгоритм 188
4.4.2. Результаты расчета и их обсуждение 192
Выводы по четвертой главе 194
5. Расчет пылевоздушных потоков в спектрах всасывания местных вентиляционных отсосов от вращающихся деталей цилиндрической формы 195
5.1. Вычислительный алгоритм расчета 196
5.1.1. Построение поля скоростей 196
5.1.2. Расчетные соотношения динамики пылевых частиц 200
5.2. Динамика пылевых частиц в спектрах открытых местных вентиляционных отсосов 202
5.3. Динамика частиц пыли в аспирируемых укрытиях 208
5.3.1. Аспирационное укрытие стандартной конструкции с одинарными стенками 208
5.3.2. Аспирационное укрытие с двойными стенками 210
5.3.3. Аспирационное укрытие с двойными стенками и вращающимся цилиндром 212
5.3.4. Укрытие с двойными стенками и двумя вращающимися цилиндрами 217
5.3.5. Укрытия с двойными стенками с вращающимся цилиндром и цилиндром-отсосом 218
5.4. Моделирование процессов динамики полифракционного пылевого облака в аспирационных укрытиях 218
5.4.1. Основные расчетные соотношения 218
5.4.2. Динамика вихревых воздушных потоков в замкнутой области с прямоугольным выступом 224
5.4.3. Моделирование динамики пылевого облака в аспирируемом укрытии 226
5.4.4. О расчете концентрации и дисперсном составе клинкерной пыли в аспирационном укрытии 234
Выводы по пятой главе 242
6. Опытно-экспериментальное исследование процессов в системах аспирации 245
6.1. Сравнение расчетных и опытных величин максимального диаметра частиц пыли, улавливаемых аспирационным каналом 245
6.2. Исследование вихревых и отрывных потоков 246
6.2.1. Обтекание профиля при набегании потока 246
6.2.2. Обтекание прямоугольного тела при набегании потока 247
6.2.3. Щелевидное приточное отверстие в плоской стенке 248
6.2.4. Вихревые течения в замкнутой прямоугольной области 248
6.3. Сравнение поля скоростей воздушных течений в аспирационном укрытии 253
6.4. Натурный эксперимент по определению поля скоростей воздуха на
входе в щелевидный всасывающий канал 255
6.5. Натурный эксперимент по определению поля скоростей на входе в круглый всасывающий канал с кольцевыми экранами 260
Выводы по шестой главе 263
7. Реализация результатов диссертационного исследования в производстве 265
7.1. Расчет устройства для загрузки сыпучих материалов 265
7.1.1. Основные характеристики погрузчика 265
7.1.2. Расчет технологических параметров системы аспирации 268
7.1.3. Выводы и рекомендации для проектирования эффективных аспирационных систем при перегрузках сыпучих материалов с помощью телескопических погрузочных устройств 276
7.2. Разработка решений по реконструкции системы аспирации отходящих газов сушильной печи 278
Выводы по седьмой главе 280
Заключение 282
Список литературы
- Герметизационные системы аспирационных укрытий
- Частный случай эжекции воздуха в трубе с непроницаемыми стенками (Е = 0)
- Моделирование струйного течения воздуха при входе в канал с козырьком и непроницаемым экраном
- Исследование отрывного течения на входе в выступающий канал с вертикальным профилем
Введение к работе
Актуальность избранной темы. Наиболее надежным способом локализации и улавливания пылегазовых выбросов в производственных помещениях промышленных предприятий является применение систем обеспыливающей вентиляции (аспирации), главным элементом которой является местный вентиляционный отсос (МВО).
Основной функцией обеспыливающей вентиляции является создание нормальных санитарно-гигиенических условий труда для рабочих пыльных производств промышленных предприятий. Производительность системы обеспыливающей вентиляции должна обеспечить снижение запыленности воздуха до уровня предельно допустимой концентрации, при минимальном расходе воздуха поступающего в МВО. При обеспыливании перегрузок сыпучих материалов этот расход состоит из расходов эжектируемого и поступающего через неплотности и технологические проемы воздуха. Разработка методов снижения указанных расходов и их теоретическое обоснование являются актуальными с социальной, экономической и научной сторон. Представляет значительный практический интерес создание закрытых МВО - аспирационных укрытий с функцией пылеосадительной камеры, что позволило бы обойтись без последующих ступеней очистки запыленного воздуха и существенно сократить затраты на эксплуатацию системы обеспыливающей вентиляции. Этого можно достичь путем использования закрученных воздушных потоков, организованных внутри аспирационного укрытия с помощью вращающегося цилиндра-отсоса.
Для теоретического обоснования способов повышения эффективности обеспыливающей вентиляции необходима разработка методов расчета поля скоростей в спектрах действия МВО, которые учитывают: влияние вращающихся элементов технологического оборудования на распределение скоростей воздушного потока; вихревые структуры, распространяющиеся в закрытых МВО - аспирационных укрытиях; отрывные потоки, образующиеся на входе в неплотности аспирационных укрытий и всасывающие проемы; распространение пылевых аэрозолей в найденном поле скоростей воздушных потоков. Разрабатываемые методы моделирования и программно-алгоритмическая поддержка для расчета таких течений позволят определить конструктивные параметры проектируемых систем обеспыливающей вентиляции для каждого конкретного пылевыделяющего узла технологического оборудования.
Данное направление исследований поддержано: Российским фондом
фундаментальных исследований (проекты №05-08-01252-а, №08-08-13687-
офиц, №12-08-97500-р_центр_а, №14-41-08005-р_офи_м, №14-08-31069-
мола); Советом по грантам Президента Российской Федерации (проекты
МД-5015.2006.8, НШ-588.2012.8, МК-103.2014.1); Белгородским
государственным технологическим университетом им. В.Г. Шухова (программа стратегического развития университета - проект А-10/12).
Степень разработанности темы диссертационного исследования.
Значительный вклад в разработку способов и средств повышения эффективности обеспыливающей вентиляции, методов расчета пылевоздушных течений внесли: Азаров В.Н., Аверкин А.Г., Батурин В.В., Беспалов В.И., Богуславский Е.И., Бошняков Е.Н., Булыгин Ю.И., Бутаков С.Е., Вальдберг А.Ю., Гервасьев A.M., Гильфанов А.К., Голованчиков А.Б., Голышев A.M., Гращенков Н.Ф., Гримитлин М.И., Гуревич М.И., Дацюк Т.А., Дьяков В.В., Дмитрук Е.А., Журавлев В.П., Зарипов Ш.Х., Зильберберг Я.И., Ивенский В.Г., Ищук И.Г., Кирин Б.Ф., Коптев Д.В., Красовицкий Ю.В., Ливчак И.Ф., Лившиц Г.Д., Логачев И.Н., Нейков О.Д., Недин В.В., Маклаков М.Д., Мензелинцева Н.В., Минко В.А., Олифер В.Д., Панов С.Ю., Позин Г.М., Полосин И.И., Посохин В.Н., Сербии А.Н., Страхова Н.А., Талиев В.Н., Уляшева В.М., Хоперсков А.В., Шаптала В.Г., Шелекетин А.В., Шепелев И.А., Штокман Е.А., Шумилов Р.Н., Цыцура А.А., Anderson D.M., Degner В., Hath Т., Hemeon W.C.L., Kruse C.W., Bianconi W.O.A., Flynn M.R. и многие другие.
Для расчета вентиляционных устройств использовались методы: источников-стоков, наложения потоков, конформных отображений, магнитной или вихревой аналогии, электрогидродинамической аналогии, численное или аналитическое решение уравнения Лапласа, граничных интегральных уравнений, численного решения уравнений Навье - Стокса и неразрывности при различных упрощениях, дискретных вихрей.
Представляет интерес исследование свойств отрывных, циркуляционных, закрученных и вихревых течений, на основе известных и разрабатываемых методов, с целью снижения объема аспирируемого воздуха.
Цель работы: разработка теоретических основ расчета и конструирования местных отсосов систем обеспыливающей вентиляции, обеспечивающих создание нормальных санитарно-гигиенических условий труда при снижении расхода отсасываемого воздуха и пылеуноса в аспирационную сеть.
Для достижения цели поставлены следующие задачи.
1. Выявить направления повышения эффективности местных
вентиляционных отсосов в системах обеспыливающей вентиляции.
-
Разработать метод снижения объема эжектируемого воздуха при перегрузках сыпучих материалов. Аналитически обосновать эффективность создания устройства для загрузки сыпучих материалов, в виде вертикальной перфорированной трубы с байпасной камерой. Исследовать процесс рециркуляции воздуха в системе «загрузочная перфорированная труба -байпасная камера», определить влияние ее геометрических и аэродинамических характеристик на объемы эжектируемого воздуха и на производительность системы аспирации.
-
Разработать метод снижения расхода воздуха, поступающего в аспирационные системы через неплотности и технологические проемы, путем управления отрывом потока. Разработать математические модели отрывных течений на входе в щелевидные и круглые всасывающие проемы с
механическими экранами. Выявить закономерности изменения
коэффициентов местного сопротивления всасывающих каналов в зависимости от расположения механических экранов. Разработать и запатентовать способ управления отрывом воздушного потока на входе в неплотности аспирационных укрытий.
4. Разработать метод снижения пылеуноса от аспирационных укрытий за
счет использования закрученных потоков. Предложить программно-
алгоритмическую поддержку для исследования процессов пылеуноса в
аспирационную сеть от локализующих пылевыделения устройств и
исследовать процессы динамики пылевых аэрозолей в закрученных
аспирируемых течениях. Исследовать динамику пылевоздушных течений в
спектрах действия открытых и закрытых местных вытяжных устройств от
вращающихся цилиндрических деталей.
-
Провести опытно-экспериментальные исследования, установить адекватность и достоверность разработанных методов, моделей и полученных закономерностей в процессах обеспыливающей вентиляции.
-
Выполнить опытно-промышленную апробацию предложенных конструкций и устройств.
Основная идея работы состоит в использовании свойств отрывных, рециркуляционных и закрученных воздушных потоков для создания высокоэффективных местных вентиляционных отсосов систем аспирации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложен новый научный подход для повышения эффективности местных вентиляционных отсосов систем обеспыливающей вентиляции, основанный на использовании свойств рециркуляционных, закрученных и отрывных воздушных потоков;
предложен метод снижения объема эжектируемого воздуха при перегрузке сыпучих материалов с помощью вертикальной трубы с перфорацией, оснащенной байпасной камерой; аналитически обоснована и исследована ее аспирационная эффективность на основе полученных дифференциальных уравнений динамики течения эжектируемого и рециркулируемого воздуха в перфорированной вертикальной трубе с байпасной камерой, при падении в ней потока твердых частиц; получены выражения, связывающие геометрические и аэродинамические характеристики предложенного загрузочного устройства с производительностью системы аспирации;
разработан и запатентован способ управления отрывом воздушного потока на входе в неплотности аспирационных укрытий, позволяющий снизить расход аспирируемого воздуха на 15%;
получены математические модели, описывающие отрывные течения на входе в щелевидные и круглые всасывающие проемы, позволяющие рассчитывать конструктивные и технологические параметры систем местной вытяжной вентиляции;
- выявлены и описаны закономерности изменения коэффициентов
местного сопротивления всасывающих каналов систем вытяжной вентиляции,
в зависимости от расположения механических экранов на их входе;
разработан и аналитически обоснован метод снижения пылеуноса от аспирационных укрытий за счет использования закрученных воздушных потоков; получены закономерности улавливания МВО открытого типа пылевых частиц, в зависимости от отношения скорости всасывания к линейной скорости вращения цилиндра;
установлено, что снижение объемов аспирации, за счет предложенных в работе мероприятий, составляет от 40 до 70% .
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в разработке и теоретическом обосновании методов расчета пылевоздушных потоков в спектрах действия местных вентиляционных отсосов, методов повышения эффективности систем обеспыливающей вентиляции сниженной энергоемкости и рекомендаций по их проектированию.
Разработан инструментарий для исследования процессов в системах обеспыливающей вентиляции в виде компьютерных программ. Установленные закономерности поведения пылевых аэрозолей в спектрах всасывания местных вытяжных устройств различных типов, отрывных, вихревых, рециркуляционных аспирационных течений могут быть использованы для проектирования эффективных систем промышленной вентиляции. Результаты исследований внедрены на предприятиях строительной индустрии и в учебный процесс обучения студентов по направлению "Строительство" в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова.
Методология диссертационного исследования включала в себя общепринятые для технических наук абстрактно-логические, эмпирические, монографические методы, системный подход и математическое моделирование. Использовались методы вычислительного и натурного эксперимента, метод граничных интегральных уравнений, метод дискретных вихрей, методы теории функций комплексного переменного и метод Н.Е. Жуковского, методы решения дифференциальных уравнений и разработанные методы численного моделирования отрывных течений.
В качестве положений, выносимых на защиту, автор представляет:
- научный подход для повышения эффективности систем
обеспыливающей вентиляции, путем использования свойств
рециркуляционных, отрывных и закрученных воздушных потоков в
устройствах для локализации пылевых выбросов;
- метод снижения объема эжектируемого воздуха за счет организации
рециркуляции воздуха в устройстве «загрузочная перфорированная труба -
байпасная камера»;
- систему дифференциальных уравнений, описывающих динамику
течения эжектируемого и рециркулируемого воздуха в устройстве
«загрузочная перфорированная труба - байпасная камера»;
- запатентованный способ снижения пылевых выбросов при
транспортировке и перегрузке сыпучих материалов, за счет управления
отрывом воздушного потока на входе в неплотности аспирационных укрытий;
математические модели отрывных течений на входе в щелевидные и круглые всасывающие проемы устройств для локализации выбросов;
закономерности изменения коэффициентов местного сопротивления всасывающих каналов, в зависимости от расположения механических экранов на их входе;
- математические модели, алгоритмы и программы расчета
стационарных, нестационарных и закрученных пылевоздушных потоков в
аспирационных укрытиях и МВО от вращающихся цилиндрических деталей;
- метод снижения пылеуноса в аспирационную сеть за счет
использования закрученных воздушных потоков;
- результаты лабораторных исследований закономерностей отрывных и
вихревых течений в спектрах действия устройств для локализации пылевых
выбросов.
Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций соответствует современным требованиям и обоснована использованием фундаментальных законов аэродинамики, апробированных методов вычислительной математики, согласованием результатов расчетов, выполненных разными методами, и экспериментальными данными, полученными как лично соискателем, так и другими авторами.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались на международных конференциях, симпозиумах, конгрессах: «Опыт, проблемы, перспективы и качество высшего инженерного образования» (Белгород, Россия, 2006); «МДОЗМФ» (Лазурное, Украина, 2007, 2011, 2013); «Экология 2007» (Бургас, Болгария, 2007); «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, Россия, 2007); «ММТТ-23» (Саратов, 2009); «Indoor air environmental quality» (Кошалин, Польша, 2011); «ECCOMAS 2012» (Вена, Австрия, 2012); "Particles 2013" (Штутгарт, Германия, 2013); ICVFM (Нагоя, Япония, 2014); на научно-методических семинарах кафедр прикладной математики, теплогазоснабжения и вентиляции БГТУ им. В.Г. Шухова.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 107 печатных работ, из которых 37 в ведущих рецензируемых научных журналах, 11 индексированы в Web of Science и Scopus, 5 монографий, 4 зарегистрированных компьютерных программ, 3 патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 246 наименований. Общий объем диссертации составляет 320 страниц, в том числе 168 рисунков, 28 таблиц, 1 приложение.
Герметизационные системы аспирационных укрытий
Анализ отечественных патентных материалов [8 - 30] и научно-технической литературы показывает [5,6,19,31], что основными направлениями разработок по снижению объемов эжекции являются два: увеличение аэродинамического сопротивления желоба и организация в нем замкнутой циркуляции запыленного воздуха.
Увеличение аэродинамического сопротивления желоба. Для повышения сопротивления желоба предлагаются способы и средства, ставшие традиционными, например, рекомендуется применять эластичные фартуки, перекрывающие поперечное сечение желоба [8].
При этом в известные решения вносятся конструктивные изменения, повышающие эффект от использования в целом данного устройства. Проиллюстрируем это на примере усовершенствованной конструкции жесткого клапана [9], устанавливаемого в желобе. Перекрывающий клапан (рисунок 1.1, а) выполнен комбинированным, состоящим из закрепленной шарнирно на верхней стенке желоба цельной шторы 7, к нижней кромке которой шарнирно подвешена шторка 2, выполненная из отдельных элементов. При перегрузке по желобу сыпучий материал отклоняет цельную штору 1 и просыпается далее вниз по ходу движения, а отдельные элементы шторки 2 скользят по поверхности потока материала. Такая конструкция клапана допускает наличие в потоке материала негабаритных включений, при этом площадь неплотностей в месте примыкания канала и поверхности потока перегружаемого материала увеличивается незначительно. Негабаритный кусок материала будет отклонять один или несколько элементов шторы 2. Остальные элементы, соприкасаясь с материалом, перекроют щель, образованную нижней кромкой цельной шторы и поверхностью движущегося потока сыпучего материала.
Следует отметить существенный недостаток эластичных и жестких клапанов, обусловленный повышенной их истираемостью и износом, что в конечном итоге снижает сопротивление движению воздуха по желобу.
Существенно сократить объемы эжекции, вплоть до нулевых значений, возможно с помощью затвора из перегружаемого материала. Поддержание требуемого уровня материала в желобе осуществляется с помощью грузового затвора. Однако применение грузовых затворов сдерживается по техническим причинам - не исключаются случаи зависания материала в желобе, что может привести к аварийным ситуациям.
В значительной мере этот недостаток устранен в конструкции желоба с пересыпной полостью (рисунок 1.1, б) [10]. Поступающий с конвейера 1 сыпучий материал попадает в рабочую полость 2, образованную запорным органом 3, корпусом 4 и наклонной перегрузкой 5. Груз б, установленный на рычаге 7, удерживает от отклонения запорный орган 3 до тех пор, пока рабочая полость не заполнится материалом до требуемого уровня. В дальнейшем под действием столба материала запорный орган 3 поворачивается вокруг оси 8, в результате чего образуется щель, через которую материал разгружается. При помощи изменения расположения груза б на рычаге 7 добиваются непрерывного равномерного высыпания сыпучего материала на конвейер 9 с минимальной высоты. Запорный орган под действием на ось 8 кулачка 10 совершает возвратно -поступательное движение в вертикальной плоскости со встряхиванием в верхнем положении.
В случае зависания в высыпной щели крупных фракций материала рабочая полость 2 переполняется, а материал через проем между осью 8 и приводным барабаном конвейера 1 попадает в пересыпную полость 11 и поступает на конвейер 9. При этом имеют место повышенные пылевыделения, что служит сигналом для принудительного открывания запорного органа 3.
Для обеспечения режима работы наклонных желобов под завалом, даже при переменном расходе сыпучего материала, разработан желоб с подвижной стенкой (рисунок 1.1, в) [11]. Верхняя стенка 1 желоба с помощью гибких оболочек 2 герметично соединена с его боковыми стенками, что обеспечивает подвижность верхней стенки в направлении, перпендикулярном продольной оси желоба. Благодаря этому поддерживается минимальный зазор между поверхностью движущегося материала и верхней подвижной стенкой желоба.
Режим работы желобов под завалом предъявляет жесткие требования к перегружаемому материалу, он должен быть неслеживающимся, содержать ограниченное количество влаги, частицы материала должны иметь округлую форму.
Замкнутая циркуляция воздуха. Наибольшее распространение получили желоба, в которых циркуляция запыленного воздуха осуществляется без дополнительных побудителей тяги за счет градиента давления, который возникает в желобе за счет эжектирования воздуха потоком сыпучего материала. Области избыточного давления и разрежения аэродинамически соединяются обычно с помощью специальных каналов. Этот канал размещают соосно с желобом [12], вблизи боковых стенок [13] либо вне желоба [14-16]. Использование только рециркуляции воздуха без аспирации не дает возможности решить задачу о локализации пылевыделений. Наличие рециркуляции позволяет лишь сократить требуемые для эффективного обеспыливания объемы аспирации. Связано это с невозможностью полностью ликвидировать неплотности в укрытии приводного барабана загружающего конвейера.
Поэтому принципиальным при устройстве рециркуляционного канала является вопрос о месте размещения его выходного отверстия, так как этим определяется возможность применения аспирации для данного перегрузочного узла. Главным условием обеспечения возможности использования аспирации является наличие аэродинамического сопротивления между входным отверстием рециркуляционного канала и пылеприемным сечением аспирационной воронки, причем более высокий уровень сопротивления обусловливает больший эффект рециркуляции.
Неучет этого фактора исключает рециркуляцию - направление движения воздуха по каналу будет совпадать с направлением движения по желобу потока перегружаемого материала. Примером неудачного решения может служить конструкция наклонного желоба Карагандинского политехнического института [13]. На днище желоба (рисунок 1.2, а) закреплены пластины 7, образующие с боковыми стенками 2 рециркуляционные зоны. Непосредственно над разгрузочным отверстием желоба 3 установлена аспирационная камера 4. Для организации рециркуляции в данной конструкции необходимо наличие в аспирационной камере 4 избыточного давления. Однако при таком условии работа аспирации теряет смысл - избыточный воздух из камеры 4 будет вытесняться не только в рециркуляционные зоны, но и через неплотности укрытия в производственное помещение.
Частный случай эжекции воздуха в трубе с непроницаемыми стенками (Е = 0)
Аналогично можно найти скорости эжектируемого воздуха в этом канале при линеаризованных объемных силах межкомпонентного взаимодействия. Для равноускоренного потока на основании (2.123) (при и =и0) имеем:
Это же соотношение можно использовать и для определения скорости воздуха, эжектируемого условным потоком, заменив v на v : Результаты расчета сведены в таблицу 2.1. Как видно из этой таблицы при замене реального потока условным скорость эжектируемого воздуха практически не меняется (отличие не более 0,25%), несколько выше погрешность при линеаризации объемных сил, но и в этом случае она не превышает точности исходных данных. Таблица 2.1 Сопоставление скоростей эжектируемого воздуха в канале с непроницаемыми стенками (при и = 0,4319; = 1.5; Е = 0)
Наибольшие трудности при численном решении задачи Коїли в нашем случае возникают в связи с тем, что искомыми как раз и являются скорость воздуха при входе в перфорированную трубу (при выходе из трубы) - и0 и избыточное давление в начале (в конце) байпасного канала - ра. Эти величины являются основными искомыми параметрами задачи. А краевую задачу будем решать методом пристрелки. Предстоит решить "артиллерийскую" задачу о поражении "мишени" в точках и0 и ра при неизвестных начальных положениях орудия и угла наклона ствола. Как показали предварительные расчеты, траектории "снаряда" оказались круто падающими, что еще более ухудшает поиск начальных положений орудия - требуется применение повышенной точности вычислений (увеличение мантиссы числа до 50 и более разрядов). На этом фоне особенно важным является оценка начальных приближений параметров и0 и ра.
Эти параметры служат отправными, далее идет нудный традиционный метод пристрелки. Вначале при заданных Ье,и, н, по формулам (2.88) и (2.89) определяется и2, которая и используется для задания ип и, следовательно, Ра. Помимо этого вводятся параметры Е и г. Решается задача Копій с учетом начальных условий (2.150). Выполняется численное интегрирование системы (2.147)-(2.148). Проверяется первое условие (2.151): если окажется _у1(1) 1, то задается новое значение щ ип (если _у1(1) 1, то и0 ип). Величина ра не изменяется. Повторяется интегрирование системы. Снова проверяется условие (2.151) до тех пор, пока
Можно порядок корректировки изменить, т.е. фиксируется ип, а корректируется ра. Сопоставление результатов численного интегрирования приведено в таблицах 2.2 - 2.4. Кроме этого, выполнены результаты численных расчетов для перфорированного канала с байпасной камерой больших размеров при г = оо. Как видно из этих таблиц, отклонение скоростей эжектируемого воздуха для условного потока (и ) от скорости эжектируемого воздуха для равноускоренного потока (и ) пренебрежимо малы (см. таблицу 2.2). Таблица 2.2 Сопоставление результатов численного исследования изменения скорости эжектируемого воздуха в перфорированном канале при равноускоренном потоке {и ) и при условном потоке, скорость которого изменяется по параболическому
Как и в ранее рассмотренном случае канала с непроницаемыми стенками (при Е = о), отклонение этих скоростей при линериализации объемных сил более заметны (см. таблицы 2.3 и 2.4). Однако, и в этом случае, они не превышают точности промышленного эксперимента. Заметно устойчивое положительное отклонение, поскольку по абсолютной величине Le- -{у - и) \,Q{V - и), (2.157) и поэтому получаем несколько завышенные объемы эжекции (т.е. имеем некоторый запас).
Таким образом, численные расчеты показали, что решение краевой задачи с неизвестными параметрами и0 и Ра методом пристрелки в условиях крутопадающих функций и(х) требует большего времени счета и точности числовых значений.
Моделирование струйного течения воздуха при входе в канал с козырьком и непроницаемым экраном
С целью получения приближенных решений и облегчения численных исследований "точных" уравнений выполнена линеаризация исходной системы уравнений путем замены квадратичных законов изменения аэродинамического сопротивления отверстий в стенке трубы и объемных сил межкомпонентного взаимодействия линейными (2.35) и (2.34), а также усреднением скоростей воздуха по высоте канала и трубы (2.38) и (2.39). 3. Получены линейное неоднородное дифференциальное уравнение 2-го порядка для разности скоростей эжектируемого воздуха и падающих частиц (2.47) и неоднородное дифференциальное уравнение 2-го порядка для скорости эжектируемого воздуха (2.166). С целью упрощения неоднородности этих уравнений осуществлена замена равноускоренного падения частиц ускоренным (2.32), что позволило найти аналитическое решение задачи в виде (2.54) и системы граничных условий (2.58)-(2.61) для разности скоростей и в более простом виде (2.168), (2.177) и (2.178) для скорости эжектируемого воздуха. 4. Выполненное сопоставление полученных решений с результатами интегрирования "точной" системы (2.147) и (2.148) показало: а) изменение функции и(х) по высоте перфорированной трубы практически тождественны как по характеру, так и по абсолютной величине (рисунок 2.4, таблица 2.5, относительная погрешность не превышает -1,6% при Le = 1, и -4,0% при Le = 5); б) зависимости скорости (объема) эжектируемого воздуха в перфорированной трубе (и0), а также давления в байпасной камере (ра) от числа Le удовлетворительно согласуются с результатами численного решения "точного" уравнения (рисунок 2.5).
Увеличение числа эжекции Le, как и в случае потока частиц в трубе с непроницаемыми стенками, способствует росту и0. Заметна асимптотика этого роста (рисунок 2.5) и снижение объемов эжекции по сравнению с потоком частиц в неперфорированной трубе (и0 и2- штрихпунктирная кривая) в исследуемом диапазоне чисел Le. Еще больший эффект минимизации и0 наблюдается при увеличении степени перфорации (рисунок 2.6) и здесь имеется асимптотика - при Е 2,5 снижение величины и0 практически прекращается.
Роль размера поперечного сечения байпасного канала на характер и величину скорости и0 неоднозначна, при 0,5 г 0,6 наблюдается трудно объяснимое "лавинное" падение скорости и0. При уменьшении г до нуля величина и0 резко возрастает до величины и2 - скорости эжектируемого воздуха в трубе с непроницаемыми стенками. При увеличении г 0,6 скорость и0 резко возрастает, а затем медленно увеличивается (оставаясь меньше и2) и фактически стабилизируется при г 2,5. Снижение объемов (скорости и0) эжектируемого воздуха за счет его рециркуляции в байпасном канале тем выше, чем больше число Le и чем меньше п. Еще более заметно снижение объемов эжекции при увеличении аэродинамического сопротивления на выходе и входе воздуха в перфорированную трубу (таблицы 2.7 и 2.8). Этот факт подтверждает заметную стимулирующую роль на объемы рециркулируемого воздуха в обычном (неперфорированном) байпасном канале герметизации верхнего укрытия и наличие буферной емкости (формкамеры) в нижнем укрытии, которые создают большее разрежение в верхней части трубы и подпор - в нижней части. Этим создаются условия для более интенсивного перетекания воздуха через перфорационные отверстия.
Объемы эжектируемого воздуха могут быть уменьшены в 1,3-1,5 раза при увеличении до 8-32 и в 1,45-1,55 раза при увеличении п до 4-16 (при Le 10; г = 2; " = 2,5). 8. Введением одномерного течения воздуха в пористой трубе при линейном законе перетекания воздуха через капиллярные каналы стенки трубы (2.187) сформулировано псевдолинейное уравнение динамики воздуха (2.195), эжектируемого ускоренным потоком частиц за счет действия объемных сил межкомпонентного взаимодействия. Линеаризацией этих сил (2.196) и кинетической энергии (2.198) уравнение динамики эжектируемого воздуха в трубе сводится к линейному неоднородному дифференциальному уравнению второго порядка с постоянными коэффициентами, аналитическое решение которого удовлетворительно согласуется с численным решением уравнения (2.195). Принятые допущения при линеаризации задачи практически не сказались на величине скорости воздуха при выходе из пористой трубы и характере изменения скорости эжектируемого воздуха по высоте трубы. Максимальное отклонение этих скоростей не превышает 0,9% при малых числах эжекции (Le 1) и 3% при больших числах эжекции (при Le = 10).
Анализ решения линеаризованной задачи позволил установить влияние технологического параметра (числа эжекции Le) и пористости стенок трубы ( Е ) на величину рецикла воздуха в трубе ( Rz) и на величину, связанного с ним, коэффициента снижения эжектируемого воздуха при выходе из трубы (Ке = й2/йк). Величина рецикла увеличивается с ростом числа Le и пористости стенок Е (рисунок 2.13). Величина Ке имеет заметный максимум (пунктирная линия на рисунке 2.12), смещающийся при увеличении пористости в сторону меньших чисел эжекции. Это связано с тем, что при снижении Le происходит смещение максимальной величины рецикла Rz в область небольшой пористости стенок трубы (пунктирная линия рисунок 2.14). Наличие этих максимумов объясняется разным характером изменения скорости эжектируемого воздуха и0 при увеличении пористости стенок Е и росте числа эжекции Le (рисунок 2.15). Наибольшее падение характерно для скорости и0 в силу роста инжекции воздуха при увеличении Е, а скорость воздуха при выходе из канала щ, как и максимальная скорость ит, консервативнее по отношению к изменению Е. Кроме этого ит имеет экстремальное значение, что вызывает при соответствующем сочетании параметров Le и Е максимальную величину объемов рециркулируемого воздуха.
Исследование отрывного течения на входе в выступающий канал с вертикальным профилем
Целью параграфа является разработка метода математического моделирования отрывных течений на входе во всасывающие каналы в областях, содержащих профили, при отрывном их обтекании, с использованием стационарных дискретных вихрей.
Рассматривается многосвязная область течения (рисунок 4.14) на входе в плоский всасывающий канал, в спектре действия которого находится тонкий профиль MD. С острых кромок С, М и D происходит срыв потока и образуются свободные линии тока СЕ, DS, MS. Необходимо определить их положение, скорость потока в любой заданной точке и к.м.с. при входе во всасывающее отверстие.
Дискретная модель строится аналогично изложенным ранее. На острых кромках и на изломах располагаются присоединенные вихри (рисунок 4.15). Вихри, лежащие на острых кромках С, D, М и симметричные им, 2 считаются свободными, что следует из Рисунок 4.14-К постановке задачи теоремы, изложенной в ранее упомянутой монографии И.К.Лифанова: интенсивность (циркуляция) присоединенного вихря в точке срыва потока равна нулю.
Присоединенные вихри располагались также в точках изломов границы. Между присоединенными вихрями располагались контрольные точки. Точка (Д, 2) точка расположения к-го присоединенного вихря; хр (x1;x2) - р-я контрольная точка. Тогда скорость в точке хр вдоль единичного направления п, вызываемая действием вихря циркуляции г( к\ расположенного в точке %к, определится из выражения vn (хр) = G(хр, )Г [ ).
Полагалось, что на искомой свободной линии тока циркуляция вихрей известна, постоянна и равна у. Расстояние между свободными вихрями есть величина постоянная и равная h. Первое приближение для свободной линии тока выбиралось следующим образом. Первые 3 вихря располагались параллельно 07 и ниже точки срыва, начиная с острой кромки, остальные параллельно - ОХ и левее этой точки. Для свободных линий тока DS, MS начальное приближение не задавалось. Циркуляция на них заранее неизвестна. Будем полагать, что циркуляция на линии тока DS равна циркуляции на линии тока MS по абсолютной величине, но разные по знаку, что с физической точки зрения логично. Вращение частиц жидкости, сорвавшихся с острых кромок М и D, должно осуществляется в противоположных направлениях. При их слиянии в точке S они компенсируют друг друга и далее вращение частиц не наблюдается. Обозначим N- количество присоединенных вихрей, включая два свободных на кромках MnD. Номер вихря в точке D обозначим N\, номер вихря в точке М -N. В начальный момент времени воздействие всех вихрей на контрольную точку хр вдоль направления внешней нормали выражается равенством где C,k- точка расположения свободного вихря, функция G определяется при помощи выражения (4.1); ух - циркуляция на свободных линиях тока, срывающихся с острых кромок М и D; Nsl - количество свободных вихрей, расположенных на свободной линии тока СЕ; Ns - количество свободных вихрей на всех линиях тока (на первой итерации Nsl = Ns).
Поскольку vn(xp\ = Q во всех контрольных точках, т.е. выполняется условие непроницаемости, то при изменении p = \,2,...,N-\ выражение (4.17) преобразуется в систему линейных алгебраических уравнений для определения неизвестных циркуляции Г (%q) присоединенных вихрей:
Путем изменения р = 1,2,.. .N -1 в выражении (4.18) и решения полученной системы линейных алгебраических уравнений, определяются неизвестные циркуляции r( qY q = \,...Nl-\,Nl+\,...N-\ присоединенных вихрей и циркуляция свободного вихря ух. Скорость в любой точке х(х1,х2) области вдоль любого заданного направления вычисляется по формуле (4.17). Далее строятся свободные линии тока с использованием метода Эйлера численного решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений: dx/dt = vx, dyldt = v , где vx,v определяются из выражения (4.18) при п = {1,0} для vx и п = {0,1} для v . Линии тока начинают строиться с острых кромок С, М и D. Как только расстояние между точкой (х,у) и острой кромкой становится h, то в эту точку помещается свободный вихрь, т.е. это будет второе приближение для этой точки свободной линии тока. После построения линий тока необходимо определить циркуляции присоединенных вихрей и свободных вихрей, расположенных на свободных линиях тока DS, MS. Система уравнений (4.18) на следующей итерации преобразуется следующим образом. где Nsl- количество свободных вихрей на линии тока DS; NS2- количество свободных вихрей на линии тока MS; у[ - циркуляция свободного вихря на острой кромке D, найденная на предыдущей итерации.
При расчете МВО открытого типа от различных токарных станков часто пренебрегают действием потока, создаваемого вращающейся цилиндрической заготовкой [86].
В основополагающей работе Л.Д. Ландау, Е.М. Лившица [145] показано, что течение, индуцируемое вращающимся цилиндром, можно считать потенциальным. Используя классический метод наложения потоков в работе [130], определено поле скоростей воздушных течений и траектории пылевых частиц в спектре МВО от вращающегося цилиндра. Границы цилиндра и другого оборудования не учитывались, условие непроницаемости (непротекания) нарушалось. Этот недостаток был преодолен в работе [80], где построены траектории пылевых частиц у щелевидного отсоса в плоской стенке от вращающегося цилиндра. Границы других элементов станка не учитывались. Пылевые частицы считались шарообразными, режим обтекания стоксовским.
МВО закрытого типа - аспирационные укрытия позволяют локализовать пылевыделения и не допустить попадания пыли в зону рабочих мест. Здесь возникают две научно-технические задачи. Первая задача состоит в прогнозировании дисперсного состава и концентрации пыли в аспирируемом от укрытии воздухе, что позволит выбрать наиболее эффективные пылеулавливающие аппараты. Вторая - создать аспирационные укрытия с функцией пылеосадительной камеры и существенно снизить пылеунос в аспирационную сеть, что снизит затраты на дальнейшую доочистку запыленного воздуха. Для этого предполагается использовать свойства закрученных воздушных течений, индуцируемых вращающимися цилиндрами.