Введение к работе
Актуальность работы. Многие технологические процессы с участием зернистых сред протекают в режиме быстрых сдвиговых течений, которые сопровождаются интенсивным проявлением эффектов взаимодействия частиц, существенно влияющих на кинетику процессов и качество продукта. В связи с этим важно не только уметь прогнозировать эффекты взаимодействия неоднородных частиц (перемешивания, сегрегации, миграции), но и располагать способами управления названными эффектами.
Одним из вариантов управления структурно-кинематическими характеристиками и динамикой взаимодействия частиц сдвиговых потоков зернистых сред может быть вибрационное воздействие. Однако динамика быстрых сдвиговых течений зернистых материалов при воздействии вибрации и возникающих виброреологических эффектов до настоящего времени недостаточно изучена.
Настоящая работа посвящена исследованию виброреологических эффектов в быстром сдвиговом гравитационном потоке зернистого материала и разработке способов управления эффектами взаимодействия неоднородных частиц на шероховатом скате. Работа выполнена по государственному заданию Министерства образования и науки в 2014 – 2016 гг. (проект № 1346) и поддержана грантом РФФИ № 14-08-97531.
Степень разработанности темы иссследования. Исследованию динамики быстрых сдвиговых течений зернистых сред и эффектов взаимодействия неоднородных частиц, которыми они сопровождаются, посвящены выполненные в последние десятилетия работы отечественных и зарубежных ученых из Англии, США, Канады, Нидерландов, Германии, Швейцарии, Индии и др. стран (В. А. Чугунов, Д. Гидаспов, И. В. Ширко, Н. Грэй, Й. Фэн, К. М. Хилл, С. Сэвидж, С. Е. Бреннен, Д. В. Кхакхар и др.). Однако в большинстве работ описание динамики течения и эффектов взаимодействия частиц осуществляется без учета структурной неоднородности среды. Вместе с тем во многих работах акцентируется внимание на необходимости использования детальной информации о динамике течений для объяснения и прогнозирования эффектов взаимодействия частиц. Практически отсутствуют работы, посвященные исследованию способов воздействия, в том числе вибрационного, на эффекты взаимодействия частиц путем целенаправленного изменения структурно-кинематических характеристик быстрых сдвиговых потоков. Влияние виброколебаний на параметры состояния зернистых сред и эффекты взаимодействия частиц исследуется, как правило, в условиях вертикальных виброожиженных слоев (И. И. Блехман, Л. А. Вайсберг, Н. В. Михайлов, В. А. Членов, Д. А Хуэрта, А. Д. Росато и др.).
В связи с изложенным, поиск эффективных методов воздействия на структурно-кинематические характеристики быстрых сдвиговых потоков зернистых материалов для управления эффектами взаимодействия частиц является актуальным.
Объектом исследования является зернистая среда в условиях быстрого сдвигового гравитационного течения и вибрационного воздействия.
Цель работы: исследование виброреологических эффектов в быстром сдвиговом гравитационном потоке зернистого материала и разработка способов управления эффектами взаимодействия неоднородных частиц на шероховатом скате.
Задачи исследования:
– определение взаимосвязи динамических и структурно-кинематических характеристик в быстром гравитационном потоке неоднородных зернистых сред на вибрирующем скате при виброускорении, превышающем гравитационное;
– разработка метода и экспериментальной установки для определения структурных и кинематических характеристик быстрого сдвигового потока зернистого материала с наложением виброколебаний;
– определение влияния виброколебаний на эффекты взаимодействия частиц в быстром гравитационном потоке зернистого материала;
– разработка рекомендаций по технологическому использованию виброреологических эффектов в быстром гравитационном потоке зернистого материала.
Научная новизна. Разработана математическая модель взаимосвязи динамических, структурных и кинематических характеристик быстрого гравитационного потока зернистых материалов на вибрирующем скате, позволяющая прогнозировать условия взаимодействия неоднородных частиц в зависимости от параметров виброколебаний.
Установлено, что температура зернистой среды, обусловленная виброколебаниями, снижается в направлении к открытой поверхности потока по экспоненциальному закону, с показателем экспоненты, пропорциональным концентрации частиц и коэффициенту диссипации их кинетической энергии при столкновении.
Экспериментально и аналитически установлено, что высокочастотные колебания способствуют формированию в потоке плато с высокой концентрацией твердой фазы, которое создает условие для интенсификации эффектов сегрегации частиц с их разделением преимущественно по размеру. Низкочастотные колебания приводят к повышению структурной неоднородности потока с высокими градиентами концентрации твердой фазы в периферийных его частях, что способствует интенсификации эффекта квазидиффузионного разделения частиц (миграции) по комплексу физико-механических свойств без доминирующего влияния их различия по размеру.
Теоретическая и практическая значимость. Разработаны экспериментальная установка и экспериментально-аналитический метод для исследования профилей скорости, порозности и распределения концентрации частиц контрольного компонента на шероховатом вибрирующем скате, которые использованы для исследования виброреологических эффектов в гравитационных потоках частиц, различающихся по размеру, плотности и шероховатости.
Определены параметры вибрации для быстрого гравитационного потока на шероховатом скате, позволяющие интенсифицировать процесс разделения частиц по размеру, плотности, шероховатости и упругости.
Предложена технология многоступенчатой вибросепарации с противотоком неоднородных частиц, различающихся по комплексу физико-механических свойств.
Разработан проект и изготовлен опытный образец промышленного вибросепаратора для очистки и калибровки мелкозернистого материала.
Методология и методы исследования основаны на теории явлений переноса энергии, импульса и вещества, современных методах численного решения уравнений, статистического анализа и компьютерного моделирования.
На защиту выносится:
-
Математическая модель взаимосвязи динамических, структурных и кинематических характеристик быстрого гравитационного потока зернистых материалов на вибрирующем скате.
-
Результаты моделирования структурных, кинематических характеристик и распределений неоднородных частиц в потоках зернистых материалов на вибрирующем скате.
-
Рекомендации по организации процесса сепарации зернистых материалов, состоящих из частиц, различающихся по комплексу физико-механических свойств.
Степень достоверности полученных результатов подтверждается обоснованным применением метрологически поверенного оборудования и применением стандартных методов статистического анализа при обработке экспериментальных данных и оценке адекватности математического описания с помощью прикладных компьютерных программ.
Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы доложены на Всероссийской и шести международных научных конференциях, в том числе двух зарубежных.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 статья в журнале, индексируемом в Web of Science.
Объем и структура работы. Диссертационная работа включает введение, четыре главы, выводы, список использованных источников (121 наименование) и приложения. Работа изложена на 109 страницах основного текста, содержит 16 рисунков и 1 таблицу.