Введение к работе
Актуальность темы исследования. В данном исследовании ставится
задача обоснования и разработки методов расчета движения и осаждения в
жидкости дисперсных твердых частиц в вертикальных и наклонных
трубопроводах. Дальнейшее развитие и совершенствование подобных
исследований определяется широким распространением таких течений в
системах магистрального и промышленного гидротранспорта в угольной,
строительной и нефтегазовой промышленности, в различных аппаратах
химического производства и ядерной энергетике, в биологических объектах. В
последнее время проблема расчета параметров гидротранспортирования
измельченных твердых материалов в вертикальных и наклонных трубах
приобрела высокую степень актуальности в связи с добычей твердых полезных
ископаемых на морских месторождениях. По этим причинам развитие
различных физико-математических моделей двухфазных течений
представляется важной фундаментальной задачей.
Степень разработанности темы исследования. Фундаментальные результаты научных теорий и последующего практического внедрения методов расчетов движения двухфазных потоков изложены в трудах отечественных и зарубежных ученых: Асмолова Е.С., Бабухи Г.Л., Баренблатта Г.И., Бермана В.П., Буевича Ю.А., Великанова М.А., Дементьева М.А., Карасика В.М., Криля С.И., Нигматулина Р.И., Осипцова А.Н., Островского Г.М., Силина Н.А., Смолдырева А.В., Шрайбера А.А., Юфина А.П., Basset A.B. (England), Barnea D. (England), Brenner H. (USA), Cerbelli S. (Italia), Durand R. (France), Doron P. (Israel), Eskin D. (Spain), Faxen O. (England), Fortier A. (France), Gillies R.M. (USA), Happel J. (USA), Karabelas A.J. (USA), Kaushal D.R. (India), Saffman P.G. (England), Sommerfeld M (Germany) и многих других исследователей. Несмотря на достаточно большое количество опубликованных физико-математических моделей движения двухфазных потоков, общепринятая модель такого рода течений продолжает находиться в стадии обсуждения. Основным недостатком
известных моделей является применение параметров, определяемых на основе
сопоставления экспериментальных и расчетных данных. Поэтому
использование физико-математических моделей двухфазных течений, не имеющих коррелирующие зависимости, представляется актуальным, как и задача определения границ применимости разрабатываемых расчетных методов.
Цели и задачи работы:
1. Формулирование и обоснование физико-математической модели
движения двухфазной смеси измельченных твердых частиц в вертикальном
трубопроводе.
2. Определение границ применимости разрабатываемого расчетного метода
по результатам сравнения расчетов с экспериментальными данными.
-
Разработка метода расчета движения двухфазной смеси в наклонных трубопроводах. Сравнение расчетов с экспериментальными данными.
-
Получение новых уточненных эмпирических зависимостей для определения коэффициентов гидравлического сопротивления для твердых частиц произвольной формы и движения жидкости в трубе с произвольной песочной шероховатостью поверхности стенки трубы.
-
Разработка инженерного метода расчета скорости стесненного осаждения твердых частиц в жидкости.
Научная новизна. На защиту выносятся следующие новые результаты, изложенные в диссертации:
1. На основе подхода Лагранжа, экспериментальных данных по
распределению объемной доли твердой фазы и принципа суперпозиции при рассмотрении движения твердых частиц, обоснована физико-математическая модель движения твердых частиц в ньютоновской жидкости в вертикальных трубопроводах.
-
Показана возможность представления движения в наклонном трубопроводе в виде суперпозиции движения двухфазной смеси в вертикальном и горизонтальном трубопроводах.
-
Определены границы применимости предложенных физико-математических моделей движения твердых частиц в вертикальных и наклонных трубопроводах.
-
Получены новые эмпирические формулы для расчета коэффициентов гидравлического сопротивления для частиц произвольной формы и течения жидкости вдоль поверхности с произвольной песочной шероховатостью стенки.
-
Разработан инженерный метод расчета скорости стесненного осаждения твердых частиц в жидкости.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы определяется тем, что на основе
сформулированной физико-математической модели движения двухфазного
потока в ньютоновской жидкости в вертикальных и наклонных трубопроводах
разработаны замкнутые методы расчета, не требующие привлечения
коррелирующих зависимостей по результатам сопоставления
экспериментальных данных и расчетных зависимостей.
Практическая значимость работы определяется возможной областью использования предложенной физико-математической модели движения двухфазных сред. Полученные результаты могут использоваться как при проектировании различных технологических аппаратов и устройств в различных отраслях промышленности, так и в разработке систем гидроподъема твердых полезных ископаемых из шахт или морских месторождений полезных ископаемых, а также при создании устройств по разделению жидких сред при наличии механических включений.
Методология и методы исследования. Используемый в работе
методический подход основывается на изучении существующих
опубликованных физико-математических моделях движения двухфазных
потоков в вертикальных и наклонных трубах и анализе опубликованных
экспериментальных данных. На основании выполненного анализа
формулируется физико-математическая модель процесса движения двухфазной смеси в трубопроводах указанной конфигурации.
Положения, выносимые на защиту.
Обоснование физико-математической модели движения измельченных твердых частиц в ньютоновской жидкости в вертикальных и наклонных трубопроводах и разработка соответствующих методов расчетов.
Результаты сопоставления расчетных исследований по движению
двухфазных смесей в вертикальных трубах с опубликованными
экспериментальными данными и методами расчетов других авторов.
Новые эмпирические выражения для расчета коэффициентов гидравлического сопротивления: при движении частиц произвольной формы в ньютоновской жидкости и при течении жидкости в круглой трубе с произвольной песочной шероховатостью стенки трубы.
Обоснование модели и разработка методики расчета скорости стесненного осаждения частиц в ньютоновской жидкости.
Степень достоверности. Степень достоверности результатов
определяется тем, что используемые физико-математические модели сформулированы на основе общетеоретических представлений о движении дисперсных частиц в ньютоновской жидкости и качественном обобщении экспериментальных данных. Экспериментальные данные и расчетные зависимости других авторов сравнивались с результатами расчетов, выполненных по разработанным в работе методикам.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и
обсуждались на следующих конференциях: XXXVII научно-практическая
конференция. МГАВТ. Москва. 14.04. 2016; «Гидравлика» МГТУ им. Н.Э.
Баумана 22.11. 2016 г; International science conference «Fundamental and Applied Problems of Mechanics (FAPM-2017)». BMSTU. Moscow. 24 – 27. 10. 2017.
Постановка задач и промежуточные результаты обсуждались на
семинарах кафедры «Гидравлика» МАМИ (2015, 2016); кафедры
«Теоретическая механика» МГАВТ (2016); кафедры «Промышленная теплоэнергетика» МПУ (2017, 2018); кафедры «Аппаратурное оформление и автоматизация технологических производств» МПУ (2018).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 15
печатных работах, из них 8 в журналах из перечня ВАК и в реферируемых
изданиях, учитываемых в РИНЦ, в том числе 1 в сборнике тезисов
международной конференции и 2 в сборнике тезисов конференции с
международным участием. Результаты диссертации использовались в 2
патентах.
Личный вклад автора и степень достоверность результатов. В
диссертации приведены результаты, полученные автором лично или при его
непосредственном участии. Автор участвовал в постановке задач, получении
основных расчетных выражений, анализе экспериментальных данных,
сопоставлении их с расчетными зависимостями и подготовке публикаций по
результатам работы. Достоверность разработанных моделей движения
двухфазных смесей основывается на использовании классических
представлений о взаимодействии жидкой среды с дискретными твердыми частицами, с последующим сравнением расчетных зависимостей с экспериментальными данными.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и четырёх глав, заключения и двух приложений. Полный объем диссертации составляет 149 страниц с 59 рисунками и 12 таблицами. Список литературы содержит 129 наименований.