Гідродинамічні основи розрахунку полідисперсних двофазових потоків у технічних пристроях

На основі цих даних були спрогнозовані (чисельно) значення добового навантаження поверхні аеростата внаслідок налипання на неї частинок, а також інтенсивність їхнього осадження в умовах марсіанської атмосфери. Так, при концентрації кг/м і швидкості обтікання аеростата 3 м/с навантаження його виявилося рівним 69 г/добу, а інтенсивність осадження частинок - кг/(м с).

2. Для оптимізації процесу сушіння вологого пастоподібного матеріалу в кільцевій сушарці використовувалася модель двофазового неізотермічного турбулентного коаксіального струменя. Швидкість і температура газового потоку складали 100 300 м/с і 200 600С, а розмір частинок і їх витрата - 100 3000 мкм і 100 500 кг/год. Розрахунки проводилися для трьох діаметрів повітряного сопла 25, 35 і 45 мм і трьох діаметрів шламового сопла 6, 9 і 12 мм. В результаті вдалося забезпечити більш ефективне використання ділянки сушарки з великими швидкостями ковзання і високим рівнем турбулентності, що призвело до підвищення продуктивності процесу і зниженню енерговитрат.

У додатках наводиться ряд допоміжних формул до розділу 4, а також копії документів про впровадження і використання результатів роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертації наводиться теоретичне узагальнення і нове розв'язання науково-технічної проблеми створення більш точних і надійних, у порівнянні з відомими, методів розрахунку ряду важливих для практики процесів і пристроїв, пов'язаних із течією газу з полідисперсними частинками. З цією метою були проведені експериментальні дослідження закономірностей руху двофазових середовищ у різних умовах, побудовані системи рівнянь двофазових потоків, що відрізняються послідовним урахуванням міжчастинкових зіткнень, і запропонована алгебрична модель замикання цих рівнянь. Розроблений підхід дозволив пояснити та описати ряд експериментально виявлених явищ у гетерогенних середовищах у рамках єдиної теоретичної концепції і послужив основою для створення нових методів розрахунку полідисперсних двофазових потоків в енергетичних установках, теплових двигунах та технологічних апаратах.

1. Для з'ясування причин формування розподілу параметрів частинок у двофазовому турбулентному струмені, що спостерігаються в експериментах, і встановлення їх зв'язку з передісторією течії (рухом двофазової суміші в трубі) за допомогою лазерної доплерівської анемометрії були проведені широкі експериментальні дослідження двофазових турбулентних течій у горизонтальній круглій трубі. Досліди проводилися в діапазоні швидкостей течій від 1.5 до 50 м/с, розмірів частинок від 7 до 80 мкм, їх витратної концентрації від 0.01 до 1 кг/кг, діаметрів труб від 15 до 35 мм. Встановлено, що дрібні частинки, для яких число Стокса <3, рухаються в трубі без швидкісного ковзання фаз і мають різні розподіли концентрації по її поперечному перерізу в залежності від величини - з накопиченням частинок як у периферійній зоні ( <1), так і в приосьовій області (1< <3). Великі частинки ( 3) рухаються з помітним ковзанням фаз, а поле концентрації має максимум у ядрі потоку.

2. Вимірювання в двофазовому ламінарному пограничному шарі на плоскій пластині, сегменті і конусі показали, що профіль концентрації частинок має максимум усередині шару для всіх досліджених режимів течії і форм обтічних тел. Виявлено, що величина цього максимуму зменшується з ростом розміру частинок або зі збільшенням швидкості потоку, що набігає. При обтіканні пластини, встановленої під кутом до потоку, що набігає, зі збільшенням кута атаки максимум концентрації зміщується до стінки. При обтіканні сегмента максимум зміщується до зовнішньої межі пограничного шару при русі вниз за потоком, а при обтіканні конуса з ростом кута при його вершині росте градієнт концентрації поблизу поверхні (профілі концентрації біля поверхні стають більш крутими).

3. На основі ейлерового опису розроблена сім'я математичних моделей турбулентної течії газу з частинками в трубах і струменях, а також двофазового ламінарного пограничного шару. Головною відмінністю цих моделей від відомих є врахування полідисперсного складу домішки і масових зіткнень між частинками різних фракцій. Вважається, що хаотичний рух частинок складається з двох компонентів: пульсацій, обумовлених турбулентною взаємодією фаз, і пульсацій зіштовхувального походження, що приводять до появи додаткових напружень, подібних до рейнольдсових напружень у теорії турбулентності. Для обчислення додаткових напружень використовується аналог гіпотези Буссинеска, що зв'язує кореляції різних складових пульсаційних швидкостей із градієнтами осереднених швидкостей через впроваджені псевдов'язкісні коефіцієнти. Розроблені також моделі стрибкоподібного руху великих частинок у каналі і течії у двофазовому ламінарному пограничному шарі з урахуванням зіткнень частинок.

4. Запропоновано оригінальну алгебричну модель замикання рівнянь руху полідисперсної домішки. На підставі аналізу закономірностей одиничного удару і статистики зіткнень обчислені осереднені значення кореляцій пульсаційних швидкостей частинок і псевдов'язкісних коефіцієнтів. Особливістю моделі є те, що в отриманих аналітично виразах для псевдов'язкісних коефіцієнтів враховуються як параметри гідродинаміки двофазової течії через поля лінійних та кутових швидкостей частинок і їхньої концентрації, так і релаксаційні властивості частинок через їхні розміри і густини фаз, а також параметри зіткнень через коефіцієнти відновлення нормальної і тангенціальної складових швидкостей. Важливою перевагою розробленого підходу є універсальність обчислених псевдов'язкісних коефіцієнтів: вони придатні для аналізу течій різного типу, як турбулентних, так і ламінарних.

5. Розроблені моделі задовільно описують особливості руху частинок у трубах, струменях і пограничному шарі, що спостерігаються в експериментах. Урахування зіткнень дозволяє наблизити теоретичний опис руху полідисперсного матеріалу, що розглядався у попередніх дослідженнях Гавіна і Наумова, Melville і Bray та ін. як монофракційний, до руху реального двофазового потоку. Розроблена модель уперше застосована для аналізу особливостей швидкісного ковзання фаз у потоці з великими частинками в горизонтальній трубі. Модель двофазового ламінарного пограничного шару на плоскій пластині, на відміну від моделей Soo, Осипцова і Асмолова, що передбачають збільшення концентрації частинок на поверхні пластини, дозволяє описати аномалії розподілу частинок у пограничному шарі (максимум концентрації) та динаміку його зміни вниз за течією.

6. На підставі широкого числового дослідження двофазових течій різного типу підтверджено гіпотезу про визначальний вплив механізму зіткнень на формування полів параметрів дисперсної фази в таких течіях, що дозволяє рекомендувати дану сім'ю моделей для практичних розрахунків.

7. Розроблені нові методи розрахунку можуть бути використані для проектування та оптимізації широкої гами енергетичних установок, теплових двигунів і технологічних пристроїв із полідисперсними двофазовими потоками, прогнозування осадження частинок на поверхні тіл, а також управління структурою гетерогенних середовищ. Розроблені пакети прикладних програм впроваджені у 8 організаціях України, Естонії та Росії і використовуються для масових розрахунків проектованих виробів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Картушинский А. И., Шрайбер А. А. О влиянии столкновений частиц на осредненное движение турбулентной газовзвеси// Промышленная теплотехника. --2000. - 22, № 5-6. - С. 14-16.

2. Картушинский А. И. Лагранжево описание движения частиц в свободной струе// Вестник НТУУ “КПИ”, Машиностроение. - 2000. - № 39. - С. 249-252.

3. Картушинский А. Численное решение задачи о распространении двухфазной турбулентной струи с модельными начальными условиями// Известия АН ЭССР, Физика, Математика. - 1983. - 32, № 1. - С. 204-209.

4. Гиршович Т., Картушинский А., Леонов В., Мульги А. Экспериментальное исследование двухфазной спутной струи// Известия АН ЭССР, Физика, Математика. - 1983. - 32, № 3. - С. 327-329.

5. Картушинский А. Миграционная модель рассеивания примеси в запыленной турбулентной спутной струе// Известия АН ЭССР, Физика, Математика. - 1985. - 34, № 3. - С. 308-314.

6. Барабанщиков В., Гендриксон В., Картушинский А. Теплообмен в условиях ускоренного движения капель в неизотермическом поле// Известия АН ЭССР, Физика, Математика. - 1986. - 35, № 2. - С. 180-183.

7. Картушинский А., Мульги А. Мелкодисперсное турбулентное течение в осесимметричном канале// Известия АН Эстонии, Физика, Математика. - 1989. - 38, № 4. - С. 390-402.

8. Картушинский А., Мульги А. Модельное представление поведения тяжелой примеси в канале с учетом отскоков частиц от стенок// Известия АН Эстонии, Физика, Математика. - 1991. - 40, № 1. - С. 49-57.

9. Картушинский А., Мульги А. О корреляционных моментах дисперсной фазы столкновительного происхождения// Известия АН Эстонии, Физика, Математика. - 1991. - 40, № 2. - С. 130-136.

10. Березовский А., Картушинский А., Мульги А., Руди Ю., Тислер С., Хусаинов М. Экспериментальное и численное моделирование распределения твердых частиц в ламинарном пограничном слое// Известия АН Эстонии, Физика, Математика. - 1993. - 42, № 1. - С. 55-62.

11. Frishman F., Kartushinsky A, Shcheglov I. Diffusion anomalies of solid particles in turbulent flows// Proc. Estonian Acad. Sci., Phys., Math.// 1993. - 42, No. 3. - P. 242-250.

12. Hussainov M., Kartushinsky A., Mulgi A., Shcheglov I., Tisler S. Properties of solid particle distribution in two-phase laminar boundary layers of various shapes and particle sedimentation// Proc. Estonian Acad. Sci., Phys., Math.// 1994. - 43, No. 4. - P. 237-249.

13. Kartushinsky A. Numerical simulation of the distribution characteristics of fine solid particles in a horizontal pipe// Proc. Estonian Acad. Sci., Engng. - 1998. - 4, No. 2. - P. 144-160.

14. Картушинский А. И. Перенос инерционной примеси в двухфазной турбулентной струе// Известия АН СССР, МЖГ. - 1984. - № 1. - С. 36-41.

15. Картушинский А. И. Численное исследование процессов переноса примеси в двухфазной спутной турбулентной струе// Инж.-физ. журнал. - 1984. - 47, № 4. - С. 681-682.

16. Картушинский А. И., Мульги А. С., Руди Ю. А., Хусаинов М. Т. Движение примеси крупных твердых частиц в горизонтальном плоском канале// Известия РАН, МЖГ. - 1997. - № 1. - С. 57-66.

17. Картушинский А. И., Мульги А. С., Фришман Ф. А., Хусаинов М. Т. Математическое моделирование особенностей распределения мелкодисперсной примеси в турбулентном течении труба-струя// Известия PAH, МЖГ. - 1998. - № 2. - С. 76-86.

18. Зоммерфельд М., Картушинский А. И., Конен Г., Руди Ю. А., Хусаинов М. Т., Щеглов И. Н. Экспериментальное исследование влияния крупных частиц на вырождение сеточной турбулентности в двухфазном потоке// Известия РАН, МЖГ. - 2000. - № 6. - С. 93-105.

19. Hussainov M., Kartushinsky A., Mulgi A., Rudi U., Tisler S. Experimental and theoretical study of the distribution of mass concentration of solid particles in the two-phase laminar boundary layer on a flat plate// Int. J. Multiphase Flow. - 1995. - 21, No. 6. - P. 1141-1161.

20. Hussainov M., Kartushinsky A., Mulgi A., Rudi U. Gas-solid flow with the slip velocity of particles in a horizontal channel// J. Aerosol Science. - 1996. - 27, No. 1. - P. 41-59.

21. Frishman F., Hussainov M., Kartushinsky A., Mulgi A. Numerical simulation of a two-phase turbulent pipe-jet flow loaded with polyfractional solid admixture// Int. J. Multiphase Flow. - 1997. - 23, No. 4. - P. 765-796.

22. Frishman F., Hussainov M., Kartushinsky A., Rudi U. Distribution characteristics of the mass concentration of coarse particles in a two-phase turbulent jet// J. Aerosol Science. - 1999. - 30, No. 1. - P. 51-69.

23. Hussainov M., Kartushinsky A., Rudi U., Shcheglov I., Kohnen G., Sommerfeld M. Experimental investigation of turbulence modulation by solid particles in a grid-generated vertical flow// Int. J. Heat Fluid Flow. - 2000. - 21, No. 3. - P. 365-373.

24. Kaplanski F., Hussainov M., Kartushinsky A., Rudi U. Flow near hemispherical depressions// J. Mech. Behaviour Mater. - 2000. - 11, No. 6. - P. 407-417.

25. Картушинский А. И. О траектории твердых частиц в однофазной турбулентной струе// Турбулентные двухфазные течения и техника эксперимента. - Таллинн, 1985. - С. 114-120.

26. Картушинский А. И., Хальясмаа И. В. Лагранжево описание движения частицы в канале// Турбулентные течения и техника эксперимента. - Таллинн, 1989. - С. 202-206.

27. Hussainov M., Frishman F., Kartushinsky A., Rudi U. Mathematical modelling of motion of polyfractional solid admixture in turbulent pipe-jet flow// Proc. ASME FEDSM'97-3601 (Vancouver, Canada). - 1997. - P. 1-6.

28. Hussainov M., Kartushinsky A., Rudi U. Numerical simulation of behaviour features of large particles in a two-phase turbulent jet// Proc. ASME FEDSM'98-5006 (Washngtion D.C., USA). - 1998. - P. 1-6.

29. Hussainov M., Kartushinsky A., Kohnen G., Sommerfeld M. Experimental research of modification of grid-turbulence by rough particles// Proc. Fourth Int. Symp. Engng. Turbulence Modelling Measurements (Ajaccio, Corsica, France). - 1999. - P. 933-942.

30. Hussainov M., Kartushinsky A., Rudi U., Shcheglov I., Kohnen G., Sommerfeld M. M. Modification of grid-generated turbulence in air-dust flow// Proc. ASME FEDSM'99-7878 (San-Francisco, USA). - 1999. - P. 1-6.

31. Hussainov M., Kartushinsky A., Rudi U., Tisler S. Turbulent dispersed flow carrying fine solid particles in a horizontal pipe// Proc. 8^th Workshop on Two-Phase Flow Predictions (Merseburg, Germany).- 2000. - P. 94-101.

32. Kartushinsky A., Mulgi A., Rudi U., Tisler S. Some results of experimental study of a two-phase turbulent wake// Proc. 9^th Workshop on Two-Phase Flow Predictions (Merseburg, Germany).- 2000. - P. 300-304.

(Статті 1 - 24 опубліковані у фахових виданнях. Загальна кількість публікацій за темою дисертації - 51).

Размещено на Allbest.ru