Гідродинаміка закрученого потоку навколо обертового проникного циліндра і вдосконалення ротаційних фільтрів механічної очистки рідин

Перехід до макровихрового руху зовні ОПЦ, навіть при рівномірному розподіленні швидкості відсмоктування по його поверхні, супроводжується нерівномірним розподілом радіальної швидкості біля проникної поверхні, що призводить до збільшення локальних значень її абсолютної величини в порівнянні з середнім значенням (v_o). Це погіршує умови для гідродинамічної сепарації твердих включень. Наявність каркаса ОПЦ суттєво впливає на характер макровихрового руху (рис.15). Зокрема, над окремими отворами в каркасі швидкість протікання рідини крізь перегородку (швидкість фільтрування) істотно збільшується, а крізь деякі ділянки проникної поверхні мають місце зворотні течії. У цих умовах оцінка ефективності гідродинамічної очистки в термінах коефіцієнта k демонструє незадовільний результат.

За осьової подачі рідини в кільцеву область, що відповідає відомій конструкції РФ, зі збільшенням кутової швидкості або зменшенням витрати рідини, макровихори, що виникають, блокують дедалі більшу частину поверхні обертового циліндра (рис. 16). З певного моменту вся рідина, що подається, проходить крізь фільтрувальну перегородку в самому її початку (рис. 17), а решта кільцевої області зовні ОПЦ зайнята вторинними рециркуляційними течіями. При цьому рідина перетікає крізь обертову перегородку в обох напрямках.

Виявлені особливості макровихрового руху в принципі можуть пояснити обмежений характер прояву гідродинамічного ефекту очистки рідини від домішок ОПЦ в умовах такого режиму течії, але не пояснюють експериментальні факти деякого зростання ефективності очистки зі збільшенням кутової швидкості та низької ефективності за відсутності макровихорів. Тому на наступному етапі досліджувались гідродинамічні особливості протікання рідини крізь обертову сітку. Для цього використано плоску розрахункову схему (рис. 18), що відповідає періодичному фрагменту сітчастого циліндра. Таку постановку можна виправдати за відсутності макровихорів в кільцевій області зовні ОПЦ. На границях Г₁, Г₂ задаються умови (13), на границі Г₃ ? умови періодичності по координаті для всіх залежних змінних. На поверхні каркаса й дротиків сітки проекції швидкості визначаються останньою з умов (14). Для характеристик турбулентності на всіх твердих поверхнях використовуються умови (15).

На основі аналізу ліній течії відносного руху рідини (рис. 19) установлена важлива закономірність. Взаємодія відривних вихорів з ближнього сліду за дротиками сітки та більш великих вихорів, що зумовлені вторинними течіями в отворах циліндричного каркаса (на кшталт течії в каверні) призводить до блокування значної кількості чарунок сітки й утворенню рециркуляційних течій, які охоплюють окремі чарунки та групи чарунок. Це веде до вираженої нерівномірності протікання рідини крізь сітку, яка супроводжується значним підвищенням локальних значень радіальної швидкості біля поверхні ОПЦ. В результаті при всіх практично значущих для РФ режимах роботи, які визначаються різними сполученнями Re, ₀ існують умови для проходження часток, менших за розмір чарунок сітки, крізь окремі чарунки. Розрахунки, засновані на аналізі локальних і середніх значень коефіцієнта ефективності гідродинамічної очистки, демонструють у цих умовах незадовільний результат для всіх режимів, з певним покращенням ефективності при збільшенні кутової швидкості. Ці результати повністю узгоджуються з даними експериментальних досліджень.

Таким чином, показано, що при використанні в РФ сітчастого обертового циліндра принципово неможливо забезпечити достатньо повне видалення часток, розмір яких є меншим за розмір чарунок сітки.

Як альтернативу розглянуто іншу конструкцію ОПЦ у вигляді дискретно перфорованого дрібними отворами кільцевого циліндра (рис. 20). При використанні розрахункової схеми на рис. 20 граничні умови визначаються так же, як і у випадку сітчастого циліндра. Для дискретно перфорованого циліндра при всіх режимах без макровихорів течія біля поверхні та в отворах має регулярний періодичний характер (рис. 21), що забезпечує більш повне використання робочої поверхні ОПЦ.

Сьомий розділ присвячений розробці ефективного наближеного методу розрахунку турбулентного примежового шару на поверхні ОПЦ, який не потребує великих обчислювальних ресурсів, в тому числі часу розрахунку. Такий метод є необхідним, зокрема, для проектувальних розрахунків пристроїв з ОПЦ, включаючи РФ. В основу нового методу, справедливого при відсутності вторинних течій навколо обертової поверхні, покладено алгебраїчну модель турбулентності.

З рівнянь осередненого турбулентного руху рідини за умов осьової симетрії одержано аналітичний вираз для розподілу безрозмірної окружної швидкості:

. (16)

Формула (16) справедлива на малих інтервалах за умов постійності відносної турбулентної в'язкості () у межах кожної такої ділянки (з її зміною від ділянки до ділянки).

В основу нової моделі турбулентності покладено узагальнену модель Себесі-Сміта, доповнену врахуванням кривизни ліній течії із застосуванням поправки Бредшоу, заснованої на динамічному числі Річардсона:

, (17)

, (18)

, (19)

(20)

, (21)

де ? відносна турбулентна в'язкість у внутрішній і зовнішній областях примежового шару; v _w? безрозмірна динамічна швидкість; A_* ? «демпфірувальний фактор»; R_i? динамічне число Річардсона; C₁, ? поправочні коефіцієнти для врахування відсмоктування рідини та кривизни ліній течії; k ? коефіцієнт Клаузера; F_kl? функція Клебанова; П₀? «параметр сліду»; ? безрозмірна товщина примежового шару й безрозмірні значення товщин витіснення та втрати імпульсу.

У формулюванні (17) ? (21) опущені поправки на поздовжній градієнт тиску та стисливість рідини, які не використовуються. Особливості осесиметричного примежового шару на відміну від традиційної параболічної задачі з примежовим шаром, що розвивається, зумовили потребу в ітераційній процедурі, для збіжності якої, своєю чергою, знадобилося коректування подання лінійного масштабу у формулі Клаузера (19) для зовнішньої області. Таке коректування зроблено з використанням орієнтовного значення безрозмірної товщини витиснення

.

Для орієнтовних значень величин , які використовуються в ітераційній процедурі одержано такі емпіричні вирази, які узагальнюють результати докладного чисельного моделювання:

,

, .

Обґрунтовано також залежності для визначення емпіричних коефіцієнтів, що входять до поправок на врахування кривизни ліній течії та відсмоктування рідини. За умов спільного впливу інтенсивного відсмоктування рідини й поля відцентрових сил найбільш вдалим виявилось подання цих величин у вигляді функцій формпараметра профілю швидкості :

, .

Тестування розробленого методу показало його здатність з прийнятною точністю відтворювати у всьому діапазоні Re, v₀, який відповідає відсутності макровихорів, результати значно загальнішого та більш затратного чисельного розв'язання (рис. 22,23). Завдяки відповідному калібруванню, наближений метод відтворює також ламінарній профіль швидкості (рис. 22а) та виродження турбулентної в'язкості (рис.23а) за відповідних вихідних даних.

Восьмий розділ присвячено прикладному використанню отриманих наукових щодо вдосконалення РФ механічної очистки рідин. Насамперед обґрунтовано нову конструкцію фільтра (рис. 24), що відрізняється радіальним подаванням рідини до кільцевої області зовні фільтрувального циліндра та наявністю нерухомої внутрішньої проникної вставки. Така конструкція забезпечує зниження на порядок гідродинамічного опору й підвищення в декілька разів тонкості очистки, порівняно з розмірами отворів у фільтрувальній перегородці (при використанні дискретно перфорованого ОПЦ). Основними елементами проектувального розрахунку такого фільтра є: розрахунок примежового шару на обертовій проникній поверхні, визначення моменту гідродинамічного опору ОПЦ і розрахунок перепаду тисків на фільтрі.

У третьому розділі показано, що відношення компонент відносної швидкості завислих часток біля поверхні ОПЦ, яке визначає тонкість гідродинамічної очистки, в середньому з 15 - відсотковою точністю можна отримати на основі розподілу окружної та радіальної швидкостей у примежовому шарі несучої рідини. З цією метою в сьомому розділі розроблено ефективний метод розрахунку.

При визначенні моменту гідродинамічного опору ОПЦ основну складність становить розрахунок вкладу, зумовленого бічною проникною поверхнею, який не зводиться до моменту сил поверхневого тертя. Застосування теореми про зміну моменту кількості руху до рідкого об'єму, що заповнює прохідні отвори в циліндрі та примежовий шар на його поверхні, дозволило одержати аналітичний вираз для відповідного коефіцієнта моменту:

. (22)

Результати розрахунків за формулою (22) у випадку дискретно перфорованого ОПЦ у всьому діапазоні Re, v₀, що відповідає течії без макровихорів, відрізняються від результатів докладного чисельного моделювання менш ніж на 1%. У випадку сітчастого циліндра максимальна похибка становить 40%. Для розрахунку моменту опору обертанню торців запропоновано використовувати відомі залежності, які визначають коефіцієнт моменту для непроникного диска, що обертається, або в необмеженому просторі, або поблизу обмежувальної стінки. Відповідні залежності отримані для різних діапазонів числа Рейнольдса.

При визначенні гідродинамічного опору фільтра основне завдання становить розрахунок спаду тиску під час проходження рідини крізь його робочу порожнину, тобто, крізь кільцеву область зовні фільтроелемента, сам обертовий фільтроелемент і зазор між внутрішньою поверхнею фільтроелемента й зовнішньою поверхнею нерухомої внутрішньої вставки (рис. 24). Перепад тиску в робочій порожнині РФ зручно розділити на три доданки:

, (23)

де ? безрозмірний перепад тисків у кільцевому зазорі між внутрішньою непроникною вставкою та ОПЦ; ? перепад за товщиною ОПЦ; ? втрати тиску при вході в отвори ОПЦ.

Чисельний аналіз показує, що для дискретно-перфорованого обертового циліндра розподіл окружної швидкості й тиску у внутрішньому кільцевому зазорі та в отворах циліндра має регулярний характер. При цьому можна прийняти:

, (24)

де ? безрозмірні (віднесені до зовнішнього радіусу ОПЦ R₁- внутрішній радіус цього циліндра й зовнішній радіус нерухомої вставки.

Перепади тисків і зумовлені головним чином силами інерції та за умов (24) з рівнянь осередненої плоскої осесиметричної течії для них виходять вирази:

, . (25)

Найбільш складне завдання становить аналітичне визначення втрат тиску біля поверхні ОПЦ при вході в його отвори. Аналіз особливостей течії рідини в цій області дозволив ввести до розгляду відповідний коефіцієнт місцевого опору :

, (26)

де k_S? коефіцієнт живого перерізу поверхні ОПЦ.

Для визначення коефіцієнта обґрунтовано емпіричну залежність

=max(27, 95.78+8.4710^-6 Re-(4580+0.00487 Re) v_o), (27)

що є справедливою для всіх сполучень Re, v₀ за відсутності макровихорів зовні обертового циліндра. Застосування залежностей (23) ? (27) забезпечує розрахунок перепаду тисків у робочій порожнині РФ з високою точністю в порівнянні з результатами докладного чисельного моделювання.

Отримані результати становлять основу проектування РФ удосконаленої конструкції. На їх основі розроблено методику розрахунку РФ, яку апробовано й впроваджено в науково-дослідному проектно-конструкторському інституті «Параметр» Донбаського державного технічного університету та в Інституті геотехнічної механіки НАН України. Використання цієї методики дозволяє розробляти РФ зі зниженими більш ніж на порядок витратами енергії на очистку (рис.25) за тих самих габаритів. Нова конструкція фільтра й розрахунок параметрів робочого режиму забезпечує також можливість одержання тонкості очистки 20…40 мкм при розмірах отворів у дискретно перфорованому ОПЦ 120…150 мкм. Крім цього розрахунок за розробленою методикою зводить до мінімуму ймовірність контакту з поверхнею обертового циліндра тих часток, розмір яких є порівняним із розміром прохідних отворів у ньому (принаймні, при відносній густині часток ). Це зменшує абразивний знос поверхні фільтрувального циліндра та знижує ймовірність закупорки його отворів.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення й нове розв'язання актуальної науково-технічної проблеми, що полягає в розробці наукових положень, які встановлюють закономірності формування гідродинамічних втрат, зміни режимів руху рідини й виникнення вторинних течій, а також руху завислих часток навколо обертового проникного циліндра, як основи вдосконалення ротаційних фільтрів механічної очистки рідин та інших пристроїв, у яких реалізуються подібні форми течії.

На основі виконаних теоретичних і експериментальних досліджень уперше одержані такі наукові результати:

1) Встановлено механізм значного зростання сумарної завихреності в потоці всередині обертового циліндра, при подаванні рідини крізь проникну бічну поверхню, та зв'язок сумарної величини завихреності з гідродинамічними втратами. Показано, що «відбір» енергії від основного потоку значною мірою визначається взаємодією великомасштабних вихрових структур. Для геометрично подібних областей безрозмірні втрати напору є функцією тільки одного безрозмірного параметра (), який містить задані умови. Таким чином, установлено критерій подібності, що характеризує умови формування вихрових гідродинамічних втрат.

2) Показано, що в умовах стійкої ламінарної течії рідини в кільцевій області висотою h біля зовнішньої поверхні ОПЦ, за значень окружного числа Рейнольдса (Re) та безрозмірної швидкості відсмоктування (v₀), що визначаються умовою Re v_o 100, окружний рух зосереджений у примежовому шарі на обертовій поверхні товщиною <h, а профіль безрозмірної окружної швидкості () повністю визначається параметром Re_r=Re v_o

3) Установлено визначальний вплив співвідношення розміру часток (d_p) і товщини примежового шару () на величину швидкості ковзання фаз під час руху завислих часток зовні обертового циліндра з протіканням рідини крізь його поверхню. Зокрема, окружне ковзання фаз стає помітним при d_p>0.1, а вплив відцентрових сил інерції на радіальне ковзання фаз найбільшою мірою проявляється при d_p0.1.

4) Визначено межу виникнення макровихорів у кільцевій області зовні ОПЦ з відведенням рідини крізь його бічну поверхню. Показано, що нейтральна крива в координатах (Re, v_o) при Re 10⁴ не залежить від висоти кільцевої області й має вигляд . У цьому випадку Re_r = Re v_o >100 і товщина примежового шару в незбуреному русі менша за висоту кільцевої області (<h). Установлено, що переходу до макровихрових режимів течії при Re10⁵ передує турбулізація примежового шару на поверхні ОПЦ і збільшення товщини шару.

5) Обґрунтовано єдиний підхід до моделювання гідродинаміки закрученого потоку навколо ОПЦ в ситуаціях, коли наперед невідомо, який із режимів течії матиме місце за тих чи інших вихідних даних. Показано, що використання SST k - моделі турбулентності (моделі Ментера) забезпечує адекватний розрахунок поля осереднених швидкостей течії навколо ОПЦ у всьому діапазоні режимів руху рідини з його зовнішнього боку ? від стійкого ламінарного до ламінарного й турбулентного з макровихровими структурами.

6) Установлено закономірність впливу непроникних ділянок на поверхні ОПЦ на межу виникнення вторинних течій з його зовнішнього боку, яка виявляється в зниженні запасу стійкості порівняно з тим випадком, коли циліндр має рівномірно проникну поверхню. При цьому для запобігання вторинних течій при однакових значеннях числа Рейнольдса (Re10⁴) потрібні більші значення безрозмірної швидкості відсмоктування v₀. Зокрема, для проникної перегородки, натягнутої на циліндричний каркас із отворами, при коефіцієнті «живого» перерізу каркаса k_Sf=0.815 значення (v_o)_cr, що визначаються нейтральною кривою для випадку рівномірно проникної поверхні, необхідно множити на коефіцієнт запасу стійкості k_Sb5.8, а при k_Sf=0.5 необхідно приймати k_Sb14.

7) Визначено характер впливу особливостей макровихрової течії зовні ОПЦ (з урахуванням його конструктивного виконання) на співвідношення радіальної та окружної компонент швидкості рідини біля обертової поверхні в діапазоні числа Рейнольдса Re=510⁴...110⁶. Установлено, що наявність вторинних течій значно збільшує локальні значення радіальної швидкості рідини порівняно зі середньою швидкістю відсмоктування ₀. При цьому крізь окремі ділянки проникної перегородки можуть мати місце зворотні течії. Відзначені явища знижують тонкість сепарації часток ОПЦ. Збільшення інтенсивності вторинних течій зі зростанням обертального числа Рейнольдса (Re), або зменшенням швидкості відсмоктування (v_o), призводить до блокування дедалі більшої частини поверхні циліндра для протікання рідини, що подається до кільцевої області, що значно збільшує локальні значення швидкості протікання крізь поверхню циліндра. За осьової подачі рідини ця тенденція проявляється більшою мірою, ніж за радіальної подачі крізь зовнішню циліндричну поверхню.

8) Установлено гідродинамічні особливості протікання рідини крізь обертову сітку, натягнуту на циліндричний каркас з отворами. Показано, що у всьому діапазоні обертального числа Рейнольдса (Re10⁴) має місце взаємодія відривних вихорів з ближнього сліду за дротиками сітки та більших вихорів, які зумовлені вторинними течіями в отворах каркаса (на кшталт течії в каверні), що спричиняє блокування рециркуляційними течіями великої кількості чарунок сітки й значно підвищує швидкість протікання рідини крізь решту чарунки.

9) Обґрунтовано можливість наближеного модельного розгляду поверхні обертового циліндра як гладкої та рівномірно проникної. Показано, що відмінності в профілях окружної швидкості рідини для випадків рівномірно проникної й дискретно перфорованої (з коефіцієнтом «живого» перерізу k_S =0.3...0.4) поверхні ОПЦ не поширюються далі половини товщини ламінарного підшару (y⁺5) при Re 10⁶ та будь-яких значеннях безрозмірної швидкості відсмоктування v₀, що забезпечують відсутність макровихорів у кільцевій області течії. У випадку сітчастого обертового циліндра в аналогічних умовах розбіжності в профілях швидкості для різних радіальних перерізів зосереджені всередині примежового шару й не поширюються за його межі.

10) Розроблено новий метод наближеного розрахунку турбулентного примежового шару на поверхні ОПЦ. В основу методу покладено алгебраїчну модель турбулентності, яку сформульовано на підставі узагальненої моделі Себесі ? Сміта і яка відрізняється врахуванням кривизни ліній течії на основі поправки Бредшоу та модифікованим поданням лінійного масштабу у формулі Клаузера для зовнішньої області примежового шару. Значення емпіричних величин (у поправці на врахування кривизни ліній течії) і C₁ (що враховує відсмоктування рідини), установлені як функції формпараметра профілю швидкості ^*/^**: =0.135(^*/^**-0.5)^-10, C₁=5.3510^-4(^*/^**)^18.5+11.217. Метод забезпечує розрахунок примежового шару за будь-яких сполучень числа Рейнольдса (Re 10⁶) і швидкості відсмоктування (v₀), що відповідають відсутності макровихорів, включаючи можливість відтворення ламінарного профілю швидкості в примежовому шарі за відповідних вихідних даних.

На основі прикладного використання нових наукових даних одержані такі практичні результати:

1) Установлено напрямки зниження втрат напору й підвищення тонкості гідродинамічної очистки рідин з використанням РФ. Обґрунтовано нову конструкцію фільтра, яка забезпечує зниження на порядок максимального гідродинамічного опору за рахунок зменшення сумарної завихреності усередині ОПЦ, а також забезпечує підвищення в 2-3 рази тонкості очистки при використанні ОПЦ у вигляді рівномірно перфорованого кільцевого циліндра.

2) Розроблено наближені методи й отримано аналітичні залежності, які становлять основу розрахунку гідродинамічних характеристик і конструктивних параметрів РФ та забезпечують розробку РФ з покращеними характеристиками.

3) Розроблено рекомендації з оптимального проектування РФ на основі використання модельних випробувань ефективності очистки на масштабній моделі без зміни складу забруднень з можливістю визначення необхідних для заданого ступеня очистки значень кутової швидкості обертання ОПЦ і швидкості фільтрування натурним фільтром (точність 6…28 % у діапазоні обертального числа Рейнольдса Re =10⁴...10⁶, відносної густини часток і відносного діаметра часток =).

4) Обґрунтовано спосіб зниження абразивного зносу поверхні ОПЦ за рахунок виключення контактів з нею завислих часток, на порядок за розміром менших товщини примежового шару несучої рідини (d_p=0.05..0.2).

5) Розроблені рекомендації та методика розрахунку РФ впроваджено в Науково-дослідному проектно-конструкторському інституті (НДПКІ) «Параметр» Донбаського державного технічного університету(ДонДТУ), а також в Інституті геотехнічної механіки (ІГТМ) НАН України. Промислові зразки РФ удосконаленої конструкції впроваджено у виробництво на підприємствах гірничовидобувної галузі. Техніко-економічний ефект від впровадження підтверджено відповідними актами.

7) Математичні моделі й методи наближеного розв'язання задач про стійкість стаціонарних станів і рух рідинних середовищ в областях з обертовими проникними стінками, експериментальне устаткування й методики дослідження течій рідини навколо ОПЦ, використовуються в навчальному процесі, а також при підготовці наукових кадрів через аспірантуру.

Отримані в дисертації результати значно розширюють можливості прикладних досліджень у галузі створення й вдосконалення не тільки РФ механічної очистки рідин, але й інших технічних пристроїв, у яких відбуваються близькі до розглянутих форми закрученої течії рідини, зокрема, вихрових камер, циклонних апаратів, апаратів харчових та хімічних технологій, теплообмінних пристроїв.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мочалин Е.В. Моделирование режима обратной промывки самоочищающегося фильтра / Е.В. Мочалин, А.В. Петренко, П.Н. Кривошея // Вестник НТУ «ХПИ».- 2001.- Вып. 129.- С. 161 ? 168. Здобувачеві належать математична модель роботи фільтра, метод розв'язання задачі, аналіз результатів.

2. Мочалин Е.В. К постановке задачи о движении взвешенной частицы в закрученном потоке несущей жидкости между двумя соосными цилиндрами с учетом отсоса жидкости через внутренний цилиндр / Е.В. Мочалин, А.А. Бревнов // Сб. науч. трудов ДГМИ.- Алчевск: ДГМИ, 2001.- Вып. 13.- С. 210 ? 218. Здобувачем виконано обґрунтування моделі міжфазної взаємодії, математичне формулювання задачі, аналіз результатів розрахунку траєкторій завислих часток.

3. Мочалин Е.В. К вопросу компьютерного моделирования устойчивости стационарного состояния систем с распределенными параметрами / Е.В. Мочалин // Сб. науч. трудов ДГМИ.- Алчевск: ДГМИ, 2001.- Вып. 14.- С. 333 ? 340.

4. Мочалин Е.В. Вариационная формулировка задачи о пространственном движении несжимаемой жидкости / Е.В. Мочалин // Сб. науч. трудов ДГМИ.- Алчевск: ДГМИ, 2002.- Вып. 15.- С. 269 ? 280.

5. Мочалин Е.В. Формирование вихревой структуры закрученных течений в цилиндрической области с проницаемой боковой поверхностью / Е.В. Мочалин // Вісник Сумського державного університету.- 2003.- №12(58).- С. 36 ? 41.

6. Мочалин Е.В. Движение жидкости в окрестности вращающегося проницаемого цилиндра / Е.В. Мочалин // Вісник Східноукраїнського національного університету.- 2003.- №12(68), Ч.2.- С.197 ? 202.

7. Мочалин Е.В. Полуэмпирическая модель вихревого течения внутри вращающегося проницаемого цилиндра / Е.В. Мочалин // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України.- Дніпропетровськ, 2004.- Вип. 50.- С.202 ? 211.

8. Мочалин Е.В. Моделирование волновых процессов в жидкости на основании метода конечных элементов / Е.В. Мочалин, В.С. Пупков // Сб. науч. Трудов ДонГТУ.- Алчевск: ДонГТУ, 2004.- Вып. 18.- С. 303 ? 318. Здобувачеві належать постановка задачі, дискретизація при чисельному розв'язанні, аналіз результатів та висновки.

9. Мочалин Е.В. Исследование движения взвешенных частиц вблизи вращающегося отсасывающего цилиндра / Е.В. Мочалин // Промислова гідравліка і пневматика.- 2005.- №2(8).- С. 61 ? 65.

10. Мочалин Е.В. Численный анализ устойчивости осесимметричных течений жидкости на основе метода конечных элементов / Е.В. Мочалин, И.Г. Мочалина // Вісник Східноукраїнського національного університету.- 2005.- №10(92).- С.149 ? 156. Здобувачем виконано формулювання задачі на власні значення, обґрунтування способу дискретизації, чисельне розв'язання задачі й дослідження збіжності.

11. Мочалин Е.В. Гидродинамическая устойчивость в рабочей полости ротационного фильтра / Е.В. Мочалин // Промислова гідравліка і пневматика.- 2005.- №4(10).- С. 50 ? 54.

12. Пупков В.С. Компьютерная система для обеспечивания рационального режима работы фильтра с противоточной регенерацией сетчатого фильтроэлемента / В.С. Пупков, Е.В. Мочалин, Ю.И. Алипер // Сб. науч. трудов ДонГТУ.- Алчевск: ДонГТУ, 2006.- Вып. 22.- С. 241 ? 248. Здобувачем розроблено модель роботи фільтра в процесі забруднення фільтроелемента та алгоритм роботи системи автоматики.

13. Исследование эффективности тонкой очистки жидкостей ротационными фильтрами / Е.В. Мочалин, А.В. Петренко, П.Н. Кривошея, Е.О. Иванова //Сб. науч. трудов ДонГТУ.- Алчевск: ДонГТУ, 2006.- Вып. 20.- С. 292 ? 304. Здобувачеві належать визначення нейтральної кривої стійкості, планування експерименту, аналіз його результатів та висновки.

14. Мочалин Е.В. Полуэмпирические интегральные соотношения для закрученых потоков в областях с проницаемой боковой поверхностью / Е.В. Мочалин, И.Г. Мочалина // Сб. науч. трудов ДонГТУ.- Алчевск: ДонГТУ, 2006.- Вып. 21.- С. 144 ? 156. Здобувачеві належать: рівняння балансу енстрофії, гіпотеза про механізм формування вихрових втрат усередині ОПЦ, інтегральні залежності для гідродинамічних втрат, планування й аналіз результатів експерименту.

15. Мочалин Е.В. Устойчивость течения жидкости снаружи вращающегося сетчатого фильтроэлемента / Е.В. Мочалин // Вісник Сумського державного університету.- 2006.- №12(96).- С. 23 ? 32.

16. Мочалин Е.В. Выбор модели турбулентности для анализа течения снаружи вращающегося проницаемого цилиндра / Е.В. Мочалин // Восточно-европейский журнал передовых технологий.? 2007.? № 2/6 (26).? С. 20 ? 26.

17. Мочалин Е.В. Численное моделирование течений вязкой жидкости в рабочей полости ротационного фильтра / Е.В. Мочалин // Сб. науч. трудов ДонГТУ.- Алчевск: ДонГТУ, 2007.- Вып. 23.- С. 169 ? 183.

18. Мочалин Е.В. Гидродинамические особенности протекания жидкости через вращающуюся сетку / Е.В. Мочалин // Промислова гідравліка і пневматика.- 2007.- №2(16).- С. 53 ? 60.

19. Мочалин Е.В. Влияние конструкции фильтроэлемента ротационного фильтра на гидродинамический эффект очистки жидкости / Е.В. Мочалин // Восточно-европейский журнал передових технологий.- 2007.- № 5/3 (29).- С. 46 ? 51.

20. Мочалин Е.В. Моделирование переходных течений жидкости в сечении вращающегося сетчатого фильтроэлемента / Е.В. Мочалин // Вісник Східноукраїнського національного університету.- 2007.- №3(109).- С. 99 ? 110.

21. Мочалин Е.В. Особенности моделирования макровихревых течений жидкости вблизи вращающегося проницаемого цилиндра / Е.В. Мочалин // Вісник Східноукраїнського національного університету.- 2007.- №12(118).- С. 146 ? 153.

22. Мочалин Е.В. Расчет турбулентного пограничного слоя на поверхности фильтроэлемента ротационного фильтра / Е.В. Мочалин // Вісник Сумського державного університету.- 2007.- №3.- С. 57 ? 69.

23. Мочалин Е.В. Сопротивление вращению фильтроэлемента ротационного фильтра / Е.В. Мочалин // Гірнича електромеханіка та автоматика: науково-технічний збірник.- Дніпропетровськ: НГУ, 2007.- № 79.- С. 133 ? 140.

24. Пат. 64474 А Україна, МПК7 B01D33/00. Фільтр для очищення рідин / Є.В. Мочалін, О.В. Петренко, П.М. Крівошея, Є.О. Іванова (Україна).- № 2003065285; заявл. 09.06.2003; опубл. 16.02.2004, Бюл. № 2. Здобувачеві належать ідея й обґрунтування технічного рішення із зниження гідродинамічних втрат у РФ шляхом усунення умов для зростання сумарної завихреності всередині ОПЦ.

25. Пат. 31145 Україна, МПК(2006) B01D33/06. Фільтр для тонкого очищення рідин / Є.В. Мочалін, В.Г. Чебан, В.С. Пупков, О.А. Бревнов (Україна).? № u200713707; заявл. 07.12.2007; опубл. 25.03.2008, Бюл. № 6. Здобувачеві належить ідея зниження гідродинамічного опору РФ шляхом зменшення масштабів енергоємних вихорів.

26. Мочалин Е.В. Численное моделирование закрученного течения в кольцевом канале с проницаемыми стенками / Е.В. Мочалин // Сборник научных трудов/ НИПКИ «Параметр» при ДГМИ.- Алчевск: ДГМИ, 1998.- С. 38 ? 51.

27. Мочалин Е.В. Моделирование закрученных течений в рабочих полостях устройств очистки жидких сред / Е.В. Мочалин // Сборник научных трудов/ НИПКИ «Параметр» при ДГМИ.- Алчевск: ДГМИ, 1999.- Вып.2.- Т.1.- С. 35 ? 43.

28. Мочалин Е.В. Основы расчета устройств высокоскоростной очистки воды от механических примесей / Е.В. Мочалин // Сб. докладов Междунар. науч.-практич. конф. “Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге ХХI века ”.- Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2000.- Ч.6.- С. 66 ? 75.

29. Мочалин Е.В. Перспективные методы высокоскоростной очистки жидких сред от дисперсных загрязнений / Е.В. Мочалин, И.Г. Мочалина // Вестник международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности.- Санкт ? Петербург (Алчевск: ДГМИ), 2004.- Т.9, № 7(79).- С. 129 ? 133. Здобувачем виконано обґрунтування перспектив використання самоочищуваних фільтрів, що сполучають фільтрувальну перегородку та закрутку потоку.

30. Мочалин Е.В. Движение взвешенных частиц в рабочей полости фильтров с вращающимся фильтроэлементом / Е.В. Мочалин, И.Г. Мочалина // Материалы международной конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности ? 2004» (Гурзуф, Крым, август 2004 г.): Сб. научн. Трудов / ВУО МАНЭБ.- Алчевск:, ДГМИ, 2004.- С. 72 ? 80. Здобувачеві належать: постановка задачі, визначення критеріїв подібності руху завислих часток поблизу поверхні ОПЦ, визначення коефіцієнта ефективності гідродинамічної очистки й дослідження його залежності від визначальних гідродинамічних параметрів.

31. Мочалин Е.В. Интегральные характеристики закрученных течений в областях с проницаемой боковой поверхностью / Е.В. Мочалин // Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики: 3 ? я научная школа-конференция: тезисы докладов.- Алушта, 2005.- С. 76 ? 78.

32. Мочалин Е.В. Гидродинамические особенности течения жидкости около вращающегося сетчатого цилиндра с отсосом через его поверхность / Е.В. Мочалин // Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики: 4 ? я научная школа-конференция: тезисы докладов.- Алушта, 2006.- С. 48 ? 50.

33. Мочалин Е.В. Особенности моделирования турбулентности вблизи вращающегося отсасывающего цилиндра / Е.В. Мочалин // Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики: 5 ? я научная школа-конференция: тезисы докладов.- Алушта, 2007.- С. 40 ? 41.

34. Мочалин Е.В. Моделирование переходных течений в рабочих полостях ротационных фильтров / Е.В. Мочалин // Матеріали науково-технічної конференції викладачів, співробітників, аспірантів і студентів інженерного факультету. Ч. 2.- Суми: Вид-во СумДУ, 2007.- Вип.9.- С.59 ? 60.

35. Мочалин Е.В. Расчет пограничного слоя на поверхности вращающегося отсасывающего цилиндра / Е.В. Мочалин // Вихревые и закрученные потоки: фундаментальные исследования и новые практические применения: международная научно-практическая конференция: тезисы докладов.- Киев, 2007.- С. 19 ? 20.

АНОТАЦІЇ

Мочалін Є.В. Гідродинаміка закрученого потоку навколо обертового проникного циліндра і вдосконалення ротаційних фільтрів механічної очистки рідин.? Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 01.02.05 ? Механіка рідини, газу та плазми. ? Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Київ, 2009.

Дисертацію присвячено проблемі розробки наукових положень, які встановлюють основні закономірності гідродинаміки закрученого потоку всередині та зовні обертового проникного циліндра й руху завислих часток біля його зовнішньої поверхні. Метою досліджень є зниження гідродинамічного опору обертового проникного циліндра й керування режимом руху рідини та рухом завислих часток поблизу його поверхні для вдосконалення ротаційних фільтрів механічної очистки рідин та інших пристроїв з протоком рідини крізь бічну поверхню обертового циліндра.

У дисертації розвинуто наявні та розроблено нові підходи до розрахунку гідродинамічних процесів усередині та зовні обертового проникного циліндра. Виконаними дослідженнями обґрунтовано нову сукупність фундаментальних даних з течій рідини із завислими частками біля обертової проникної поверхні, яка є суттєвим внеском до теорії вихрових та закручених потоків.

На основі отриманих наукових результатів сформовано теоретичні засади вдосконалення конструкції ротаційних фільтрів, а також інших технічних пристроїв з обертовим проникним циліндром. Розроблено нові методи розрахунку ротаційних фільтрів зі зниженим на порядок гідродинамічним опором та підвищеною тонкістю очистки рідин від механічних домішок. Нові конструкції та методика розрахунку застосовуються в науково-дослідних, проектних установах та в промисловості.

Ключові слова: гідродинамічні втрати, гідродинамічна стійкість, зависла частка, макровихрові структури, модель турбулентності, обертовий проникний циліндр, примежовий шар, ротаційний фільтр, чисельний розрахунок.

Мочалин Е.В. Гидродинамика закрученного потока около вращающегося проницаемого цилиндра и совершенствование ротационных фильтров механической очистки жидкостей.? Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 01.02.05 ? Механика жидкости, газа и плазмы.? Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Киев, 2009.

Диссертация посвящена проблеме разработки научных положений, устанавливающих основные закономерности гидродинамики закрученного потока внутри и снаружи вращающегося проницаемого цилиндра и движения взвешенных частиц у его наружной поверхности. Целью исследований является снижение гидродинамического сопротивления вращающегося проницаемого цилиндра и управление режимом течения жидкости и движением взвешенных частиц вблизи его поверхности для совершенствования ротационных фильтров механической очистки жидкостей и других устройств с протоком жидкости через боковую поверхность вращающегося цилиндра.

В диссертации развиты существующие и разработаны новые подходы к расчету гидродинамических процессов внутри и снаружи вращающегося проницаемого цилиндра. Выполненными исследованиями обоснована новая совокупность фундаментальных данных по течению жидкости с взвешенными частицами вблизи вращающегося проницаемого цилиндра, которая вносит существенный вклад в теорию вихревых и закрученных потоков.

Показано, что гидродинамические потери в потоке внутри вращающегося цилиндра с подачей жидкости через проницаемую боковую поверхность существенно зависят от суммарной величины завихренности, которая возрастает до тех пор, пока ее рост не компенсируется механизмом вязкой диссипации. Это, в частности, объясняет причины большого гидродинамического сопротивления ротационных фильтров и определяет способ его снижения путем конструктивного уменьшения размеров области интенсивного вихреобразования и масштабов энергонесущих вихрей.

Установлено, что при движении слабоконцентрированной суспензии с протоком через поверхность вращающегося проницаемого цилиндра в условиях отсутствия вторичных течений, определяющее влияние на величину скольжения фаз вблизи поверхности цилиндра оказывает соотношение размеров частиц и толщины пограничного слоя несущей жидкости, что, в частности, позволяет исключить контакт с поверхностью частиц, размер которых на порядок меньше толщины пограничного слоя.

Обнаружено, что при уменьшении скорости отсоса жидкости появлению макровихрей предшествует турбулизация пограничного слоя на поверхности вращающегося проницаемого цилиндра и рост его толщины, что обеспечивает возможность управлять толщиной погранслоя и формой профиля скорости в нем в условиях отсутствия макровихревых структур.

Показано, что с увеличением угловой скорости или уменьшением расхода жидкости, поступающей в кольцевую область снаружи вращающегося проницаемого цилиндра, возникающие макровихри блокируют все большую часть его поверхности для протока жидкости, что обосновывает необходимость избегать режимов течения с макровихрями в целях более равномерного использования всей поверхности цилиндра.

Установлено, что протекание жидкости сквозь вращающуюся сетку, натянутую на цилиндрический каркас с отверстиями, сопровождается взаимодействием отрывных вихрей из ближнего следа за проволочками сетки и вихрей, обусловленных вторичными течениями в отверстиях каркаса (по типу течения в каверне), которое приводит к блокированию рециркуляционными токами большого числа ячеек сетки и значительно повышает скорость протекания жидкости через оставшиеся ячейки. Это свидетельствует о необходимости отказа от сетчатой конструкции вращающегося проницаемого цилиндра в целях уменьшения максимальных скоростей протока жидкости и размеров взвешенных частиц, проходящих сквозь поверхность цилиндра через отверстия заданного диаметра.

Разработан новый итерационный метод приближенного расчета пограничного слоя на поверхности вращающегося цилиндра с отсосом жидкости, основанный на применении алгебраической модели турбулентности.

По результатам научных исследований обоснована перспективная конструкция ротационного фильтра и разработана расчетная база и методика проектирования усовершенствованных фильтров, которые нашли применение в научно-исследовательских, проектных организациях и в промышленности.

Ключевые слова: взвешенная частица, вращающийся проницаемый цилиндр, гидродинамические потери, гидродинамическая устойчивость, макровихревые структуры, модель турбулентности, пограничный слой, ротационный фильтр, численный расчет.

Yevgeniy V. Mochalin Hydrodynamics of swirling flow near rotating permeable cylinder and perfection of rotary filters of mechanical cleaning of liquids.? The manuscript.

The thesis for competition of academic degree of Doctor in technical sciences according to speciality: 01.02.05 ? Mechanics of liquid, gas and plazma.? National Technical University “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2009.

The work is dedicated to the problem of development of basic assertions of swirling flow hydrodynamics inside and outside of rotating permeable cylinder and suspended particle motion close to it outer surface. The goal of research is reducing of hydrodynamic resistance of rotating permeable cylinder and operating the fluid regime and the suspended particle motion near it's surface in order to performance of rotary filters of mechanical cleaning of liquids and other devices with passing of liquid through the lateral surface of rotating cylinder.

The existing approaches to the calculations of hydrodynamic processes inside and outside of rotating permeable cylinder are elaborated and the new ones are developed in the dissertation. The new totality of fundamental data regarding liquid flows with suspended particles close to rotating permeable surface, that introduces the considerable contribution into theory of vortical and swirling flows, is obtained.

Theoretical foundations of design structure perfection of rotary filters and other technical devices with rotating permeable cylinder are formed on the base of the scientific results obtained. The new methods of calculation of rotary filters with reduced in order of magnitude hydrodynamic resistance and increased refinement fineness of liquids from mechanical impurities are developed. The new structures and design procedure found application in research and design organizations and in industry.

Key words: boundary layer, hydrodynamic losses, hydrodynamic stability, macro vortex pattern, numerical calculation, rotating permeable cylinder, rotary filter, suspended particle, turbulence model.

Размещено на Allbest.ru