автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидравлика конструкций с вихревым движением жидкости (аппараты, методы расчета, программное обеспечение технологических процессов)

I од

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И УГОЛЬНОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН КАЗАХСТАНЭНЕРГО КАЗАХСКИЙ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА Ш. Ч. ЧОКИНА

На правах рукописи БЕЛЬГИБАЕВ БАУРЖАН АБДРАХИМОВИЧ

УДК 532.542

Гидравлика конструкций с вихревым движением жидкости

(аппараты, методы расчета, программное обеспечение технологических процессов)

05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Алматы,1336

Работа выполнена на кафедре математического обеспечения ЭВМ и вычислительной техники Восточно-Казахстанского государственного университета и в лаборатории гидротехнических сооружений Казахского научно-исследовательского института энергетики имени академика Ш.Ч.Чокина.

Ведущее предприятие - ВНИИцветмет (г. Усть - Каменогорск)

Официальные оппоненты: член-корр. Узбекской и Российской

Академии сельскохозяйственных наук, заслуженный деятель науки и техники Узбекистана, доктор технических наук, профессор МУХАМЕДОВ А. М. доктор технических наук, профессор АБДУРАМАНОВ А. А. доктор технических наук, с.н.с. КВАСОВ А. И.

Защита состоится "Н"**^^ 1996 г. в /^чЗс. на заседании специализированного совета Д 27.08.01 при Казахском научно -исследовательском институте энергетики имени академика Ш.Ч. Чокина по адресу: 480012, г. Алматы, ул. А. Байтурсынова, 85.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского научно - исследовательского института энергетики имени академика Ш. Ч. Чокина.

Автореферат разослан года.

Ученый секретарь ¡/^ /

ю

специализированного совета СУЛЕЙМЕНОВ К. А.

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В соответствии с Президентской Стратегией становления и устойчивого развития Казахстана как суверенного независимого государства, ставшего на путь рыночной экономики, в Республике осуществляется переход к высшему пятому технологическому укладу. Отличительные особенности отого уклада - автоматизация технологических процессов с соответствующим программным и аппаратным обеспечением, системное проектирование, широкое распространение информационных услуг, вычислительной техники, использование новых высокоэффективных конструкций и технологических схем. Наиболее эффективным способом перехода к высшему технологическому укладу является трансфер современных технических решений и технологий военно-промышленного комплекса в базовые отрасли промышленности. Эта идея и положена в основу настоящей диссертации.

Технологические процессы на предприятиях горнодобывающей, металлургической промышленности, объектах энергетики относятся к категории достаточно сложных в управлении. Для поддержания технологического процесса в заданных пределах, контроля состояния их оборудования необходим большой объем информации, значительное количество регулирующих органов. Отдельные контуры регулирования, как правило, взаимосвязаны, но алгоритмы управления различны на разных режимах работы установки, например, в регулировочном диапазоне и при пусках - остановах. Разнообразие конструкций оборудования, технологических схем, обусловленное различными функциональными задачами, условиями эксплуатации, специфическими требованиями к качеству ведения технологического процесса, существенно затрудняет создание унифицированных систем их автоматизированного управления. Но благодаря прогрессу в области вычислительной техники в настоящее время появилась возможность создания универсальных технических средств для выполнения большинства управляющих и информационных функций, которые пригодны для

оснащения АСУ технологических процессов различных видов. При этом их переменной частью, с помощью которой осуществляется адаптация АСУ к конкретному объекту, является специальное программное обеспечение.

Одним из основных элементов в составе современных технологических схем, применяемых на предприятиях горнодобывающей, металлургической промышленности, энергетических объектах, во многом предопределяющих их высокую эффективность, являются конструкции с вихревым движением жидкости. Это вихревые аппараты сепарационного типа для разделения, классификации, сепарации пульпы, очистки воды, удаления шламов (гидроциклоны, классификаторы, центрифуги и т.п.), отличаются большим функциональным и конструктивным многообразием. В вихревых конструкциях резко интенсифицируется процесс сепарации твердой фазы, кроме того они органично вписываются в современные технологические схемы с гидравлическим регулированием основных параметров. Это позволяет отказаться от применения традиционных, но малопроизводительных отстойников гравитационного типа, занимающих к тому же большие площади. Наиболее эффективны вихревые аппараты с изменяемой геометрией, за счет чего существенно увеличивается диапазон их автоматического регулирования.

В работе рассматриваются также специальные типы вихревых водосбросов с закруткой потока на входе, что позволяет наиболее рационально решить основные проблемы при сопряжении бьефов - исключить возникновение кавитации, погасить избыточную кинетическую энергию сбросного потока, изменить направление течения потока, повысить надежность сооружения и др. При проектировании этих водосбросов возникает свой круг задач, нуждающихся в обстоятельном изучении и решении: усовершенствовать существующие конструкции, создать методы расчета и проектирования, учитывающие сложный трехмерный характер течения двухфазного (аэрированного) потока. Сформулированная выше научно - техническая проблема была решена применительно к предприятиям Восточно-Казахстанской области и на некоторых объектах энергетики.

Экспериментальные исследования гидравлики закрученных двухфазных (аэрированных, взвесенесущих) течений и вихревых конструкций чрезвычайно

затруднены, поэтому в работе принято "гибридное" моделирование - сочетание физических экспериментов с численными расчетами процессов на ЭВМ с использованием достаточно строгих математических моделей.

Таким образом, в работе комплексно решаются вопросы экологии и повышения эффективности базовых отраслей промышленности с привлечением новых технологий, новых методов гидравлического расчета конструкций с вихревым движением несущей фазы, разработкой принципиально новых конструкций и технологических схем, с элементами компьютерной диагностики и управления, что имеет важное народнохозяйственное значение.

Работа выполнялась в рамках региональной программы "Комплексная переработка минерального сырья, рациональное использование природных ресурсов и. проблемы экологии Восточного Казахстана" и в соответствии с тематическими планами КазНИИ Энергетики, Усть - Каменогорского педагогического института, КазГУ им. С.М.Кирова в период с 1978 по 1995 гг.

Цель работы. Разработка на основе теоретических исследований и "гибридного" моделирования методов расчета и проектирования конструкций с вихревым движением двухфазных (аэрированных, взвесенесущих) потоков; разработка новых вихревых конструкций, технологических схем и режимов их работы для базовых отраслей промышленности, а также комплексного программного обеспечения расчета, управления и диагностики.

Основные задачи исследований:

-провести сравнительный анализ различных конструкций с целью обосновать выбор оптимального устройства для соответствующей технологической схемы методом взвешенных оценок;

-усовершенствовать существующие и разработать новые конструкции

аппаратов сепарационного типа и вихревых шахтных водосбросов,

- разработать комплекс методов расчета сложных трехмерных течений в вихревых шахтных водосбросах, а также в технологических аппаратах гидроциклонного типа с моделью "жидкость - твердая частица";

- разработать новые технологические схемы для базовых отраслей промышленности с использованием конверсионных АСУ и приборного обеспечения предприятий ВПК, дать рекомендации по выбору оборудования программного и аппаратурного обеспечения для предлагаемых технологических схем;

- разработать комплекс программных средств, обеспечивающих управление технологическим процессом с использованием конверсионных АСУ и соответствующего приборного обеспечения;

- разработать программное обеспечение, реализующее математические модели, описывающие трехмерное двухфазное течение в гидроциклонном технологическом оборудовании и вихревых шахтных водосбросах, с элементами пространственной графики с отображением расчетной информации в режиме реального времени.

Научная новизна работы. Для предприятий энергетики, горнодобывающей промышленности и цветной металлургии разработаны:

- принципиально новые подходы к расчетам сложных двухфазных течений в аппаратах сепарационного типа;

- методы расчета основных параметров вихревых конструкций сепарационного типа;

прикладное программное обеспечение, ориентированное на выполнение функций:

1. автоматического регулирования технологических параметров в широком диапазоне нагрузок;

2. автоматического дискретного управления в режимах пуска и останова;

3. автоматического управления в аварийных ситуациях (технологической защиты) для предотвращения развития аварий и минимизации их вредных последствий;

4. получение и обработки информации о ходе технологического процесса, состояния оборудования и автоматических устройств;

- новые технологические схемы с использованием высокоэффективных вихревых конструкций; - ____

автоматизированные системы управления технологическими процессами с применением вычислительной техники, приборного и программного обеспечения:

- новые конструкции аппаратов сепарационного типа с регулируемыми конструктивными элементами, приспособленные для автоматизированного управления;

- методы расчета основных параметров впхрезых конструкций сепарационного типа;

- методы расчета новых конструкций вихревых водосбросов с элементами пространственного компьютерного моделирования, включая определение очертаний (конфигурации) спиральных камер и завихрителей на входе в вихревой водосброс, оценку их пропускной способности и условий гашения потока;

Практическая ценность Для внедрения в практику предложено:

новые технологические схемы гидрозолошлакоудаления ТЭС, гидрометаллургического и горнообогатительного производства Восточно

- Казахстанской области

а) с централизованным узлом осветления, классификации и

обогащения пульп;

б) с индивидуальными осветлительными, классификационными и

обогатительными гидравлическими аппаратами и установками;

- новые конструкции гидроииклонов с регулируемыми конструктивными элементами, обратной конической вставкой;

- способы эксплуатации оборотных систем гидрозолоудаления и пульп

гидрометаллургического производства с использованием информационно-вычислительной системы управления и оперативной диагностики.

- рекомендации по выбору схем и оборудования для систем гидрозолоудаления ТЭС, безаварийной работы электролизных ванн, повышения эффективности, долговечности и надежности оборудования обогатительных фабрик;

- гидравлическая методика расчетов гидроциклонов и вихревых водосбросов;

- технические средства и универсальное базовое программное обеспечение для АСУ технологических процессов базовых отраслей промышленности;

специализированное (прикладное) программное обеспечение, учитывающее особенности конкретных технологических схем и обеспечивающее адаптацию технических средств и базового программного обеспечения к конкретным объектам. Внедрение. Разработанные принципиальные технологические схемы внедрены на АО "УК СЦК" (разделительный процесс цинкового производства) и АО "УК ТМК" (технологическая линия очистки известкового "молока"). Проведены стендовые испытания рекомендуемых АСУ и соответствующего программного и приборного обеспечения на пилотной установке с использованием вихревой конструкции с регулируемыми элементами, выданы рекомендации по ее эффективной эксплуатации на действующей технологической линии (АО "Ульбинский металлургический завод"). Создан банк данных для автоматизированной системы диагностики и контроля состояния оборудования, определено влияние эксплуатационных факторов на характеристики технологического процесса, разработано программное обеспечение оптимального режима работы действующей технологической линии (АО "Ульбинский металлургический завод"). Проведен анализ повреждений, внедрен классификатор выявленных дефектов и программы хранения и обработки информации с рекомендуемыми мероприятиями, предотвращающими возникновение аварийных ситуаций на действующих технологических линиях (АО "Ульбинский металлургический завод").

Разработанные методы расчета вихревых водосбросов и методические рекомендации по их проектированию использовались в Алматыгидропроекте при проектировании водосбросных сооружений Майнакской ГЭС на реке Чарын и ряде других объектов

Автор защищает:

. - теоретические основы гидравлического расчета закрученных

двухфазных потоков в аппаратах сепарзционного типа и вихревых водосбросах с использованием гипотезы взаимного влияния концентраций твердой фазы на поле течения несущей среды;

-новые технологические схемы, оборудованные вихревыми установками, автоматизированными системами управления технологическими процессами с применением средств вычислительной техники и программного обеспечения;

- новые типы вихревых аппаратов с регулируемыми конструктивными элементами, приспособленными для автоматизированного управления;

- рекомендации по выбору технологических схем, оборудования (с применением метода взвешенных оценок) и прикладного программного обеспечения для предприятий горнодобывающей промышленности, цветной металлургии и энергетики;

- математическую модель разделительного процесса в гидроциклоне, описывающую трехмерное течение несущей среды и учитывающую силы межфазного взаимодействия;

- новые конструкции завихрителей гидроциклонов, применяемых в промышленности, и усовершенствованные завихрители вихревых водосбросов.

Личный вклад автора в решение проблемы. Представленная работа является результатом многолетних исследований автора на кафедре математического обеспечения ЭВМ и вычислительной техники Восточно-Казахстанского Государственного Университета и лаборатории гидротехнических сооружений КазНИИ Энергетики.

Постановка проблемы формулирование всех задач поиск путей их решения теоретическими и экспериментальными путями, научные и

практические рекомендации, их анализ и внедрение, выводы осуществлены автором лично.

Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, доложены и получили одобрение: на II Республиканской конференции по проблемам вычислительной математики и автоматизации научных исследований (Алма - Ата, 1988 г.); на международной выставке товаров и услуг "Презентация Восточно-Казахстанской области" (Усть - Каменогорск, 1995 г.); на научном семинаре по проблемам вычислительной математики и функционального анализа при институте математики и механики АН Каз ССР под руководством академика У. М. Султангазина (Алма - Ата, 1982 г.); на ИВЦ УК СЦК, УК ТМК, Востокмашзавода, ЦЛА АО "Ульбинский металлургический завод", технических отделах Казгипроцветмета, ВНИИцветмета, в ОООС АО "АлтайЭнерго" (Усть - Каменогорск, 1986 - 95 гг.); на VIII Республиканской межвузовской научной конференции по математике и механике, посвященной 50 - летию Казахского государственного университета им. С.М. Кирова (Алма -Ата, 1984 г.); на межвузовской конференции по применению вычислительной техники и математических методов в научных исследованиях (Алма - Ата, 1980 г.); на VIII конференции Института теоретической и прикладной механики СО АН СССР (Новосибирск, 1981 г.); на школе - семинаре по математике и механике,посвященной 60 - летию члена - корреспондента НАН РК К.А. Касымова (Алматы, 1995 г.); на Всесоюзном совещании - семинаре "Применение ЭВМ для обеспечения учебного процесса и управления образованием" (Свердловск, 1984 г.); на Всесоюзной научно - методической конференции "Педагогические аспекты компьютеризации и обучения в высшей школе" (Рига, 1988 г.); на Всесоюзной научно - практической конференции "Электронно - вычислительная техника в преподавании дисциплин физического цикла" (Омск, 1987 г.); на V областной научно-практической конференции "Информатика и вычислительная техника в учебном процессе и управлении" (Омск, 1988 г.); на VIII Республиканской научно - практической конференции "Новые информационные технологии в учебном процессе и управлении" (Омск, 1991 г.); на Региональном совещании - семинаре по внедрению в учебный

процесс активных методов, технических средств обучения и вычислительной техники (Усть - Каменогорск, 1986 г.); на конференции молодых ученых Всесоюзного научно - исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева {Ленинград, 1982 г.); на заседаниях научных семинаров лаборатории гидротехнических сооружений Каз НИИ Энергетики (Алматы, 1980 1995 гг.); кафедры математического обеспечения электронно -вычислительных машин и вычислительной техники Восточно - Казахстанского государственного университета; на секциях Ученого Совета КазНИИ Энергетики (1981 - 82, 1993, 1995 гг.).

Публикации. За период подготовки диссертационной работы автором опубликовано две монографии в издательстве "Гылым" и "Наука" (одна в соавторстве с Т.Х. Ахмедовым) и три учебных пособия общим объемом в 17 печатных листов, статьи и 4 методические рекомендации в союзных и республиканских изданиях объемом в б печатных листов, сделаны доклады на 9 Всесоюзных и 6 Республиканских конференциях, семинарах и совещаниях. Публикации посвящены гидравлическим и численным расчетам, внедрению новых информационных технологий (третья премия Госкомитета СССР по народному образованию за создание новых спецкурсов по направлениям, определяющим научно - технический и социальный прогресс СССР, 1988 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка использованной литературы и приложений общим объемом 480 стр. машинописного текста, в том число, рисунков - 64, таблиц - 4. Приложение - 220 стр.

Во введении дается обоснование актуальности темы, научный аппарат исследования.

В первой главе "Новые информационные технологии в расчете и управлении технологических аппаратов сепзрационного типа и вихревых шахтных водосбросов" на основе изучения работ, связанных с исследованием и практическим использованием вихревых потоков, И.С. Громека, А.Я. Миловича, Б.А. Пышкина, О.Ф. Васильева, М.А. Гольдштика, С.А. Бостанджияна, В.В. Найденко, Б.К. Алиярова, Т.Х. Ахмедова, Ш.А. Ершина, A.M. Мухамедова, A.A.

Абдураманова, А.И. Квасова, Б.П. Устименко, К.Е. Джаугаштина показываются основные направления применения математического аппарата технической гидродинамики для решения практически важных задач расчета и оптимизации конструкции аппаратов сепарационного типа (отстойники, гидроциклоны, сепараторы, классификаторы и т. п.) в цветной металлургии, энергетике и гидротехническом строительстве. Переход в процессе производства на базисные технологии высшего пятого технологического уклада требуют широкого применения автоматизированных систем управления технологическими процессами, используемых на конверсионных производствах бывших предприятий ВПК СССР (АО "Ульбинский металлургический завод"). Экспериментальное и теоретическое исследование пространственного закрученного течения двухфазного потока в аппаратах сепарационного типа чрезвычайно затруднено из - за сложностей, связанных с использованием измерительной аппаратуры и основных уравнений движения. В то же время управление технологическими процессами требует или создания соответствующей приборной базы, или применения "точных" математических моделей. Разумное сочетание датчиков и расчетных параметров технологичесих аппаратов сепарационного типа (гибридное моделирование) позволяет оптимально и эффективно управлять технологическими процессами (рис. 1 и рис. 2).

Во второй главе рассмотрено современное состояние изученности гидравлики гидроциклонного оборудования и вихревых шахтных водосбросов. Сложная пространственная картина течения внутри гидроциклона (рис. 3), вихревого шахтного водосброса (рис. 4) предопределена его конфигурацией, размерами, условиями подвода пульпы, ее концентрацией, действующим напором, площадями живых сечений и относительным расположением входного и выходного отверстий и устройств.

При работе гидроциклона внутри камеры за счет конструктивных особенностей возбуждаются два винтообразных потока, вращающихся в одном направлении. При этом внешний (периферийный) поток увлекает более крупные и тяжелые твердые частицы, уносимые в нижнее сливное отверстие, а

внутренний восходящий поток перемещает более мелкую взвесь и основную массу очищенной жидкости, которая удаляется через верхнее выходное отверстие. Внешний поток является источником питания внутреннего, представляющего собой своеобразную спираль с воздушным шнуром по оси. Между основным внешним и внутреним потоками возникает циркуляционная зона (замкнутый кольцевой вихрь) и так называемый подкрышечный поток.

Как показали экспериментальные исследования, структура возбуждения в гидроциклоне двух винтовых - нисходящего и восходящего - потоков такова, что внутри камеры возникает коническая поверхность, на которой осевые составляющие скорости равны нулю.

Внутри этого конуса наблюдается восходящий поток, а снаружи -нисходящий. Для нахождения этой конической поверхности нулевых осевых скоростей A.A. Абдурамановым, А.И. Жангариным, А.И. Поваровым, D. Bredly, G. Tarjan, J. Smith и другими предложены эмпирические зависимости, на основе которых были разработаны различные формулы определения сепарационной способности гидроциклона.

Анализируя известные экспериментальные материалы можно отметить, что в следствие ограниченных возможностей существующей измерительной аппаратуры, почти все они были получены при работе гидроциклоиа на чистой воде. Наличие в потоке взвеси вносит изменение в его кинематику и в этом случае точность эксперимента теоретически не предсказуема, поэтому дополнительно требуется тщательное эмпирическое обоснование. Детальный анализ наиболее распространенных эмпирических и полуэмпирических формул для расчета основных параметров гидроциклона для горнодобывающей промышленности приведены в монографиях А.И Поварова и A.A. Абдураманова. Точность этих зависимостей сравнительно не высока и они применимы только для некоторой группы гидроциклонов определенной формы.

Гидравлическое сходство картины закрученного течения жидкости в гидроциклонах с процессами воронкообразования; вихревого движения воды в шахтных водосбросах; устройствах вихревого перепада для перевода сбросного потока на более низкий горизонт, с одновременным изменением

направления движения; в круглом циркуляционном отстойнике для улавливания наносов; в напорных трубопроводах с использованием вихревых камер и ряда других технических, конструктивных решений, связанных со сбросом мусора и наносов из отстойников и т.п., дает предпосылки для создания численных методов расчета вихревого движения тяжелой жидкости в вихревых гидроаппаратах и сооружениях. Надо также отметить, что в некоторых гидротехнических сооружениях возникает необходимость в борьбе с воронкообрззованием.

Анализ существующих приемов гидравлических расчетов в гидроциклонах, вихревых шахтных водосбросах показал, что наиболее плодотворным путем решения поставленной задачи является численное моделирование на современной ЭВМ с широким использованием ее графических возможностей. При этом методика расчета может основываться на различных моделях, основанных на "упрощенных" полуэмпирических теориях или "замкнутой" математической модели, в которой принята раздельная запись уравнений движения твердых частиц и уравнений Навье -Стокса, описывающих течение несущей фазы.

В работе обсуждаются "континуумная" модель двухфазного потока, характеризующаяся "размазанными" параметрами, а также способы учета и записи межфазного взаимодействия. При изучении этой модели А.Л. Дорфман использовал уравнения сохранения массы и импульса вида

(1)

(3)

рк=р°ак; а, + а2 = 1; рк = сог^ (к = 1,2; I,^ 1,2), (4)

где - истинная плотность к-й фазы; рК - приведенная плотность (масса к-й фазы вединице обьема смеси); аК - обьемная концентрация k-й фазы, о'к -компонента скорости k-й фазы в направлении X1; Р - возмущения давления относительно давления в неподвижной несущей среде; ти - компонента

iA

тензора напряжений в несущей фазе; 5й - символ Кронекера; F' - сипы

межфазного взаимодействия. Соответственно силы, действующие со стороны жидкости на твердую частицу, отнесенные к единице обьема смеси, записываются в виде:

Р, - (1 - n)divRB (5)

где п - обьемная концентрация; Пв - тензор напряжений в жидкости, кй -коэффициент квазистационарного сопротивления; кп - коэффициент, характеризующий нестационарное взаимодействие фаз.

Впервые практически ценные расчетные результаты были получены О.Ф. Васильевым в известной фундаментальной работе, посвященной механике винтовых и циркуляционных потоков. Этот труд дал толчок развитию целой теории в гидравлическом расчете гидроциклонов, теоретические и практические достижения которой обобщены В.В. Найденко.

Основная математическая трудность задачи заключается в нахождении решения уравнений Громека, представляющих собой одну из форм известного уравнения математической физики - уравнения Пуассона, решение которого реально можно осуществить только с использованием ЭВМ. Ранее полученные аналитические решения представляют собой сложные математические формулы, содержащие в себе бесконечные ряды .

Однако в теории воронкообразования известны работы А.Д. Альтшуль, М.Ш. Марголина, В.Г. Фокеева, L.M. Lanshey, F.T. Mavis, которые на базе экспериментальных исследований установили законы вращения жидкости,

определили форму свободной поверхности вихревой воронки. Они же установили формулу вычисления составляющих скорости, границы между статическим и динамическим законами вращения. Аналогия между процессами воронкообразования и течением в вихревом шахтном водосбросе позволила разработать ряд инженерных методик расчета.

Вихревые шахтные водосбросы обладают рядом достоинств, которые, в отличие от обычного водосброса, исключают кавитацию, обеспечивают устойчивый режим работы во всем диапазоне расходов гасят до 60 - и процентов энергии сбросного потока, позволяют за счет воздушного вихря более рационально организовать вентиляцию отводящего туннеля.

К недостаткам ранее построенных вихревых шахтных водосбросов надо отнести меньшую по сравнению с обычным водосбросом пропускную способность, конструкции завихрителей имели большие плановые размеры, что требовало проведения значительного объема строительных работ.

Вихревой шахтный водосброс - сложное гидротехническое сооружение. В процессе исследования, проектирования, строительства и эксплуатации шахтных водосбросных сооружений необходимо решить следующие комплексные задачи:

- расчет, проектирование и строительство подводящего канала и его сопряжение с вихревым устройством;

- выбор конструкции завихрителя, его гидравлический расчет в различных режимах, проектирование, сопряжение с шахтой и строительство;

- расчет диаметра шахты, его строительство и облицовка, определение гидравлических параметров движения воды по стенкам шахты и условий сопряжения;

- выбор конструкции сопряжения вихревого шахтного водосброса с отводящим туннелем, их расчеты и строительство.

Известно, что в гидроциклонах, вихревых шахтных водосбросах и в процессах воронкообразовании наблюдаются нежелательные нестационарные явления, связанные с "захлопыванием" воздушного шнура,что требует

тщательного гидравлического анализа условий возникновения и развития воздушного шнура.

Критерии подобия, используемые при моделировании гидроциклонных процессов, движение жидкости в вихревом шахтном водосбросе и при воронкообразовании выводятся из уравнений Навье - Стокса из соображений: осесимметричности течения; стационарности движения; движение за пределами сливного отверстия считается плоеккм;вертикальные скорости малы вдали от слива; окружная и радиальные скорости не зависят от вертикальной координаты; глубина потока постоянная; в зоне слива радиальная скорость есть функция расхода текущего радиуса и глубины потока.

В работе на основе п - теоремы определяются основные факторы, оказывающие решающее влияние на течение в вихревых шахтных

водосбросах, показано, что критерий вида:

<p(FrH; ReH; WeH, и; Гпр; R.) = 0 (7)

является обобщением зависимости А Д. Альтшуля без вращения жидкости

<p(FrH;ReH;WeH;ji) = 0

что указывает на существенную роль в организации течения вязкости, циркуляции и радиуса воздушного шнура. Как видно, из выполнения этих условий проектируются круговые завихрители шахтных водосбросов, первые работы по использованию которых были выполнены L.M. Laushey, F.T. Mavis. Данные завихрители из - за простоты конструкции получили распространение на сооружениях ливневой канализации.

Сложные картины течения возникают в спиральном завихритепе Схема расчета данного завихрителя строится из соображений равномерности распределения расхода (но не крутки) по периметру входного отверстия шахты. При наличии осевой симметрии течения здесь наблюдается ряд отрицательных эффектов, сказывающихся на пропускной способности вихревого шахтного водосброса.

При винтовом и тангенциальном подводе жидкости к водосбросу имеют место пространственные гидравлические процессы (рис. 5). Если в гидроциклонах при тангенциальном возбуждении вращательного движения струя истекает в затопленное пространство, в котором из - за интенсивности обмена импульсом быстро устанавливается осесимметричное течение, то в случае водосбросов гидравлика течения сложнее.

Однако подобные завихрители.как отмечается Т.Х. Ахмедовым и А.И. Квасовым, имеют ряд преимуществ, которые сыграли решающую роль при проектировании шахтного водосброса селезащитной плотины Медео близ г. Алматы и при исследовании и проектировании новых конструкций спиральных завихрителей, обладающих повышенной пропускной способностью.

В третьей главе описывается численный метод решения уравнений движения несущей фазы. Отмечается, что закрученное движение потока в гидроциклонах и шахтных водосбросах - сложное пространственное движение двухфазной смеси, которое в наиболее распространенных практических случаях, можно рассматривать как осесимметричное, стационарное течение вязкой гидросмеси.

В работе из нескольких схем построения моделей двухфазных гидросмесей выбрана модель, охватывающая наиболее распространенные диапазоны концентраций твердых частиц. В практических расчетах удобна модель двухфазной среды, когда уравнения сохранения массы, количества движения записываются отдельно для твердой и жидкой фаз. В этом случае замкнутая система уравнений двухфазного течения состоит из уравнений движения твердых частиц в несущей среде, дополненная уравнениями Навье -Стокса, в которых через силы межфазного взаимодействия учтено влияние твердых частиц на движение жидкости.

В соотвествии с моделью,предлагаемой В.М. Лятхером и А.Н. Милитеевым, полная система движения двухфазного потока распадается на две замкнутые системы дифференциальных уравнений при соотвествующих начальных и граничных условиях:

рр

VV = 0 (8)

сИ а * >

4 р' а

Здесь:

V = вектор скорости,

Р=р+дг - обобщенное давление, Удфф - эффективная вязкость,

р - плотность жидкой фазы,

т - масса частицы.

\Л/ - скорость твердой частицы,

г> - диаметр частицы,

р' - плотность твердой фазы,

д - ускорение свободного падения.

Анализ уравнений (8) показывает, что уравнения движения несущей фазы можно решать независимо от уравнений движения твердых частиц. В общем виде для принятой постановки задачи основного уравнения движения несущей фазы представляет собой уравнения сохранения импульса и массы для вязкой жидкости.

Осевая симметрия течения позволяет упростить первые два уравнения системы (8), которые в цилиндрической системе координат сводятся к виду:

V.^V.*

1ЭР

dz

dr

dv av v2

1 8z 2 Sr г

p dz p 5r

- + v.

a2v, 1 av, a2v,

-J. +----L +-_L

dz r ar Эг2

■ +V,

дгУг

dz2 ' Э1Л r J ' Sr2

av3 sv v,v3

V, —- + У-—1—— = V 1 dz 2 Эг r

ev, av2

-L + -2

az ar

a2v3 э(УЛ a2v3 az2 srv r J ar2

—V, =0

(9)

где V-|, V2, V3 - составляющие соответственно аксиальной, радиальной и тангенциальной скорости. Граничные условия для данной системы уравнений можно представить в виде:

Vl,V2,VJ|w=0,V11Va|EW= const (Ю)

Данные уравнения могут быть упрощены путем введения новых переменных - функции тока, напряженности вихря, тангенциальной составляющей скорости и тогда в операторной форме они принимают вид:

' у(У,ш) + УэффУ2О) = 0

V2\|/ = со (11)

v(v,v3)+v^v2v3=o

При граничных условиях ц/,V3|w= 0, V3|s= const, которые

отражают условия прилипания на твердой стенке и осевую симметрию течения. Конечно - разностный аналог уравнений Навье-Стокса строится по апробированной на различных типах ЭВМ схеме Патанкар - Сполдинга, в которой конвективные члены аппроксимируются разностями против потока,а источниковые и диффузионные члены разностного уравнения - центральными разностями. Граничные условия для напряженности вихря на твердой стенке берутся из условия Вудса. Для остальных переменных граничные условия ставятся из обычных гидравлических соображений. Полученная система

алгебраических уравнений решается итерационным методом с использованием ускоряющего множителя.

В четвертой главе на примере гидроциклонного оборудования показываются различные способы определения параметров несущей фазы, проводится сравнение известных аналитических решений С.А. Бостанджияна и Ю.В. Мартынова, найденных из условия отсутствия вязких сил, с расчетными данными программы "V PAS" реализующей численное интегрирование уравнений Навье - Стокса на персональном компьютере типа IBM PS/2.

Показано, что в случае движения идеальной жидкости в цилиндрическом и коническом гидроциклонах аналитическое решение представляет собой бесконечный ряд, решение которого можно найти только с использованием высокопроизводительной ЭВМ. В тоже время, учет вязких сил приводит к возникновению рециркуляционных зон, которые оказывают существенное влияние на сепарационные характеристики гидрсцикпона (рис. 6).

В пятой главе на основе разработанного программного обеспечения решается задача прогнозирования работы гидроциклона цинкового производства АО "УК СЦК". Гидроциклон цилиндро - конической конструкции с диаметром цилиндрической части в 500 мм, углом конусности в 20^, диаметрами сливного, входного и пескового патрубков в 100, 63 20 мм был подключен на классификацию пульпы перед выщелачиванием в замкнутом цикле с мельницей. Производительность гидроциклона - 26, 7 л/с. Стояла задача гидроциклонной классификацией получить слив с 95% содержанием частиц размерами не более 0,5 мм. Количество песков должно быть минимальным.

Алгоритм программы расчета сепарационной способности гидроциклона построен так, что учитывается влияние трех взаимосвязанных зон: прилегающей к завихрителю; закрученного течения в цилиндрической части гидроциклона и закрученного течения в конической части гидроциклона.

На начальном участке при расчетах учитывалась деформация профиля тангенциальной составляющей скорости, как это было предложено в работах А.Б. Резникова, Б.П. Устименко, в цилиндро - конической части гидроциклона

гидравлические параметры потока определялись по методике, описанной в предыдущей главе. Расчет параметров твердой частицы был осуществлен с помощью программы "\ЛРА5", реализующий метод прогноза и коррекции для численного решения обыкновенного дифференциального уравнения, замкнутой системы уравнений движения двухфазной смеси (8), блок - схема метода приведена на рис. 7.

Для проведения расчетов использовались экспериментальные данные диапазона распределения гранулометрического состава гидросмеси, поступающей на вход гидроциклона. Показания манометра находились в пределах 0, 6 - 1, 0 атм., расход питающего патрубка был 1600 л/мин, слива -1500 л/мин, песков - 100 л/мин. Эти исходные данные были использованы в процессе проведения расчетов (рис. 8) и позволили в условиях промышленного производства дать адекватные ответы на вопросы, связанные с правильной эксплуатацией и управлением гидроциклонных установок. Было достигнуто, что слив состоял из 98, 57% частиц размерами менее 0, 5 мм, пески на 29, 80% из частиц более 1, 00 мм и 18, 20% из частиц размерами 0, 5 мм. Были даны рекомендации по снижению диапазона колебаний давления питающего пескового насоса, своевременного демонтажа изношенных Песковых насадков и т.п. Данные рекомендации были приняты и позволили снизить содержание частиц классом больше 0, 5 мм до 1, 43%, что на 28, 35% эффективней обычного гравитационного осаждения в отстойниках - конусах.

В этой же главе обсуждаются неблагоприятные гидравлические характеристики в конической части гидроциклона, показано, что сильная деформация линии тока при переходе из зоны нисходящих токов в зону восходящих токов может привести к резкому возрастанию радиальной составляющей скорости, которая способствует появлению эффекта "взмучивания" твердых частиц. Поэтому нами совместно с Т.Х. Ахмедовым была предложена новая конструкция придонной части цилиндрического гидроциклона с обратной конической вставкой, которая препятствует выносу осажденных частиц восходящими токами. Полупромышленные испытания данной конструкции были проведены на гидравлическом стенде лаборатории

ПС КазНИИ Энергетики (рис. 10), что позволило сделать ряд практически важных выводов:

1 Цилиндрический гидроциклон по своим сепарационным характеристикам малочуствитепен к концентрациям пульп.

2. При работе в качестве сгустителя цилиндрический гидроциклон дает более стабильную концентрацию песков при различных давлениях.

3 Цилиндрический гидроциклон прост в изготовлении.

4. Он позволяет осуществлять отвод песков из разных точек дна аппарата.

Все это говорит о том, что цилиндрический гидроциклон перспективный технологический аппарат и требует дальнейшего конструктивного и расчетного поиска.

В шестой главе излагается разработанная нами методика расчета гидравлических параметров вихревых шахтных водосбросов. Показывается, что известные инженерные методики расчета позволяют дать оценку процессу затухания вращательного движения только в шахте водосброса. Расчет параметров потока и конструктивных элементов завихрителей шахтных водосбросов велся во - многом эвристически с тщательным экспериментальным подтверждением конструкторских решений.

До настоящего времени в работах C.Drioli, M.Viparelli, A.KIeinschroth, D.F.Kennedy, С.М.Слисского гидравлические схемы расчета основывались на уравнениях энергии и неразрывности при упрощающих допущениях относительно скорости и давления. Полученные алгоритмы позволяли оценить процесс затухания вращательного движения в шахте водосброса графоаналитическим методом, что снижало точность вычислений и создавало дополнительные трудности при расчетах.

Принципиальный прорыв в совершенствовании гидравлических методик расчета вихревых шахтных водосбросов был сделан Т.Х. Ахмедовым, создавшим расчетные схемы, которые в настоящее время стали справочными при проектировании вихревых шахтных водосбросных гидротехнических сооружений.

Дальнейшим развитием данного подхода явилась предлагаемая нами компьютерная методика гидравлического расчета конструктивных элементов вихревого шахтного водосброса. Во - первых, нами впервые была проведена большая программистская работа по компьютерной реализации на графическом экране формул вычисления плановых и пространственных конфигураций различных завихрителей шахтных водосбросов (рис. 11). Во-вторых, нами также впервые было предложено заменить натурные эксперименты в бассейнах лаборатории ГТС КазНИИ Энергетики моделирования на графическом экране процессов воронкообразования плоскостном и изометрическом изображении с широким использованием сканерной обработки экспериментальных данных (рис. 12). Данная методика позволила нам при минимальных затратах воспроизвести "натурные эксперименты", которые ранее позволили Т.Х. Ахмедову и его ученикам создать ряд новых конструкций завихрителей, имеющих международные приоритеты.

Анализ известных экспериментальных данных показал, что в настоящее время недостаточно расчетных работ, позволяющих определить кинематические характеристик потока в камере завихрителя.

С этой целью нами на основе общей теории воронкообразования путем упрощения уравнений Навье - Стокса, записанных в радиальном направлении цилиндрической системы координат при условии, что давление на свободной поверхности равно атмосферному, а радиальная и осевая составляющие скорости много меньше окружной, будем иметь:

(12)

Отсюда в зоне плоского вращения получим

ей

дг дг'

(13)

подставляя в которую обобщенный закон вращения

огк =С,

получим формулы для определения пространственных координат свободной поверхности, осевой, радиальной и окружной составляющей скорости в зоне плоского течения:

с2 (Р2К-гж>\

о

и = - - (16)

2яЯН

С2<Э

<,7>

где С есть интенсивность вращения, которая определяется конструкцией завихрителя.

В непосредственной близости к воздушному вихрю осевая составляющая

скорости пропорциональна скорости свободного падения жидкой частицы, падающей с высоты Ьд, вычисленной по формуле (15) при Осевая

составляющая скорости скольжения жидкой частицы по свободной поверхности закрученного потока будет равна:

м - \л/0 + тл/'2д(И0 - И) (18)

где т - коэффициент пропорциональности, значение которого легко вычислить из условия равенства осредненной осевой составляющей скорости при входе в шахту (И=0) и ее расчетного значения по формуле (18).

Для верификации расчетной схемы нами были сравнены геометрические и кинематические параметры вихревого шахтного водосброса, рассчитанную с помощью программы "Завихритель" с известными экспериментальными работами Д.К. Джартаевой.

Для моделирования винтообразного течения вязкой жидкости в шахте водосброса нами было найдено дифференциальное уравнение второго порядка относительно безразмерной величины равной отношению окружной составляющей скорости к осевой (параметр Россби), котором в отличии от решения, полученного А.И. Новиковым, учитывалось влияние воздушного

шнура и силы тяжести. В вихревом шахтном водосбросе имеет место два участка закрученного течения жидкости: зона разгонного течения (с постоянно увеличивающимся шагом винта) и зона поступательно - вращательного движения, где шаг винта неизменен.

В литературе известна формула С.М. Слисского, позволяющая определить предельную скорость, которую разовьет поток от входа в шахту до конца первого участка, однако это не дает возможности определить длину первой зоны, тем самым ограничивая возможности по конструированию оптимальных завихрителей.

При выводе расчетных формул нами принято, что на входе в шахту водосброса картину течения определяют тангенциальная и радиальная составляющие скорости. От радиальной составляющей, как говорилось выше, будет зависить местное сужение воздушного ядра на участке входа.

Из предположения равноускоренное™ течения и малой толщины потока при условии, что жидкость в кольцевом зазоре вращается по закону квазитвердого вращения (\л/=Сопэ1) было записано, что осредненная кинетическая энергия потока в кольцевом зазоре равна:

' 2

ро2 1 2ягру^г2

Е = - Я2 , тогда (19)

п{К-К)Ь> Ж*

С^^Г (20)

или

ри

2 Л

1А

. я

ро

(21)

Далее, проделывая несложные преобразования путем подстановки (21) в (19) и дифференцируя его по времени, на основе принципа спрямления линий тока из равенства сил трения и уравновешивающих их сил, а также вводя поправку, введенную Э.А. Сидоровым на относительное гидравлическое сопротивление в круглой трубе, учитывающее развитие турбулентного пограничного слоя, будем иметь:

— -1 + 1.5е-0 252, (22)

где А,0есть сопротивление гидравлически гладкой трубы. В итоге, вводя параметр Россби, который в нашем случае зависит только от безразмерной

вертикальной координаты (г = ———), получим обыкновенное дифференциальное уравнение первого порядка вида

е

е* 0 (1 +1.5 е 752 )Л(1 + 02) 1-R2 -1

0' + —^--1-+ Л. = о (23)

2(1-R4) 2z

с граничными условиями В = 00 при Z = Z0, где R - относительный радиус воздушного шнура.

Уравнение (23) было проинтегрировано численно на ПЭВМ. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что данная методика адекватно отражает реальные процессы, присходящие в вихревых шахтных водосбросах. Известно, что имеет место интенсивное затухание крутки на первых 10-ти калибрах трубы, затем параметр Россби 9 изменяется незначительно. Преимуществом данной методики является возможность учета шероховатости через ?.0, что приводит к увеличению интенсивности гашения крутки на начальном участке. Данные исследования были продолжены нами совместно с P.P. Гета. Нами было показано, что при известном распределении параметра Россби имеется возможность с помощью файловой системы компьютера численно рассчитывать потерю кинетической энергии потока, значения шага винтовой линии, моделировать процессы, происходящие на начальном участке тангенциального завихрителя и т.п. Программа написана в среде Турбо -Паскаля с широким использованием его графических возможностей, что в

принципе позволило изменить подход к гидравлическим расчетам вихревых шахтных водосбросов.

В седьмой главе описываются предлагаемые технологические схемы для базовых отраслей промышленности, базовое и прикладное программное обеспечение, рекомендации по выбору схем и оборудования для систем гидрозолоудаления, технологических схем обогатительных фабрик и предприятий цветной металлургии, технология проектирования, отладки, внедрения и эксплуатации программного продукта, направленного на решение задач расчета гидроцикпонов и вихревых шахтных водосбросов. Показывается,что современный компьютер представляет собой "интелектуальный" терминал,позволяющий осуществить принципиальный скачок в проведении теоретических и экспериментальных исследований с использованием новых информационных технологий (НИТ) в инженерной практике.

Программное обеспечение должно обеспечить вывод по признаку:

- графической и текстовой информации о ранее проведенных исследованиях и соответствующих конструкциях;

- демонстрационные расчеты по известным инженерным методикам основных параметров гидроциклонов и вихревых шахтных водосбросов с выводом графической и текстовой информации на дисплей ЭВМ;

- имитацию возможных вариантов моделирования процессов в гидроциклонах и вихревых шахтных водосбросах с элементами управления инженером или исследователем основными параметрами конструкции и течения;

- создание и использование информационных баз данных (базы знаний) для наглядного представления различных вариантов прохождения процессов, в том числе и "аварийных" ситуаций;

- проведение вычислительных экспериментов по другим методикам расчета, в том числе с использованием методов конечно-разностного решения общих уравнений Навье-Стокса;

- вооружение инженера или исследователя стратегией обработки

звристической информации с целью создания новых конструкций или

расчетных схем;

- представление возможностей текстовых редакторов для подготовки

текста, формул и рисунков к дальнейшему их компьютерному изданию;

- доступ к информационным сетям с целью дальнейшего расширения

баз знаний.

В отдельных параграфах нами описаны участки программ, позволяющие реализовывать на ЭВМ аналитические решения поступательно вращательного движения жидкости, полученные С. А. Бостанджияном, Ю.В.Мартыновым, А.Я. Миловичем и Б.А. Пышкиным с помощью виде специальных функций Бесселя, представляющих собой бесконечные ряды. Ранее в технической гидродинамике такого типа задачи решались графоаналитическими методами.

Отдельно рассматриваются приемы обработки графической информации о пространственных гидравлических процессах в завихрителях и шахте водосброса. Подробно разбираются алгоритмы программ, в том числе написанных в кодах, позволяющие осуществлять наложение расчетного графического изображения и сканерной обработки фотографий экспериментов.

Очевидно, что в данной постановке обеспечивается творческая свобода инженера или исследователя, удешевляются исследования, повышается культура производства.

Основные выводы

Работа является обобщением комплекса исследований, направленных на разработку методов оптимизации гидравлического режима и параметров конструкции аппаратов сепарациокного типа с регулируемыми элементами и новых типов вихревых водосбросов, решающих актуальную проблему, имеющую важное значение для экономики Республики Казахстан.

При этом проводилось изучение закрученного движения жидкости в аппаратах сепарационного типа и вихревых водосбросах методами "гибридного" моделирования, разрабатывались новые вихревые конструкции и современные высокопроизводительные технологические схемы с прикладным программным обеспечением и вихревыми аппаратами, позволяющими осуществлять гидравлическое регулирование процессов в автоматическом режиме. В итоге теоретического анализа, "гибридного" моделирования, физических экспериментов и обобщения данных исследований других авторов получены следующие основные результаты:

1. Разработаны теоретические основы гидравлического расчета закрученных двухфазных потоков в аппаратах сепарационного типа и вихревых водосбросов с использованием гипотезы взаимного влияния концентрации твердой фазы на поле течения несущей среды. Уточнены гидравлические схемы трехмерных пространственных течений в различных зонах аппаратов сепарационного типа и на различных участках вихревых водосбросов, определены диапазоны применимости построенной математической модели движения многофазной среды.

2. Для предприятий горнодобывающей промышленности, цветной металлургии и энергетики разработаны современные технологические схемы, оборудованные вихревыми установками, автоматизированными системами управления технологическими процессами с применением средств вычислительной техники и программного обеспечения. Узловым элементом таких технологических схем являются вихревые селарационные аппараты с регулируемыми конструктивными элементами, за счет чего удается существенно увеличить диапазон изменения технологических параметров, повысить маневренность, производительность и надежность работы основного оборудования.

3. Разработаны новые типы вихревых аппаратов с регулируемыми конструктивными элементами, приспособленными для автоматизированного управления. Их применение в современных технологических схемах на предприятиях цветной металлургии, горнодобывающих фабриках и в системах

гидрозолоудаления ТЭС перспективно как в случае централизованного узла осветления (обогащения) пульпы, так и при установке индивидуального гидроциклонного аппарата.

4. Разработана математическая модель разделительных процессов в гидроциклоне, описывающих трехмерное течение несущей среды. В этих уравнениях с учетом сил межфазного взаимодействия.

5. Разработаны линеаризированные модели для поступательно -вращательного движения жидкости, на основе которых осуществляется компьютерное моделирование гидравлики вихревых водосбросов.

6. Реализована вычислительная процедура расчета влияния крутки на профиль осевой и тангенциальной составляющих скорости, расходные и другие характеристики потока. Выполнен анализ струюуры течения, закономерности изменения кинематических характеристик и энергии потока, определены внешние параметры, влияющие на гашение крутки и энергии падающей воды в вихревых шахтных водосбросах Предложена компьютерная методика расчета составляющих скорости, шага винта, линий тока, расходных характеристик и кинетической энергии потока для вихревых шахтных водосбросов для случая винтового движения жидкости.

7. Обоснована гидравлическая устойчивость большинства конструкций завихрителей гидроциклонов, применяемых в промышленности и усовершенствованных завихрителей шахтных водосбросов. Расчетно показано возникновение рециркуляционных зон в подкрышечном пространстве и зоны возвратных потоков, расположенной между зоной нисходящих и восходящих токов, которая усложняет процесс обмена крутки и разделения твердой и жидкой фаз.

8. Расчетно проанализирована пространственная картина истечения вязкой жидкости в отверстие из бассейна без учета влияния боковых стенок. Показаны зоны течения, которые можно идеализировать как потенциальное течение - вихрь - сток. Впервые сделано наложение в памяти ЭВМ сканерных изображения визуализированного течения в бассейне с расчетными логарифмическими спиралями. Обоснована априорная замена спирали Дриоли

в конструкции завихрителя на логарифмическую спираль Архимеда,определены условия возникновения и ликвидации "самоподпора" в завихрителях шахтных водосбросов.

На основе уравнений Навье - Стокса создана численная методика расчета кинематических и геометрических параметров потока на свободной поверхности спирального завихрителя.

9. На основе обобщения закономерностей поступательно-вращательного движения жидкости в трубе. Получено дифференциальное уравнение, определяющее закономерность изменения параметра Россби и разработана компьютерная методика расчета основных характеристик потока в тангенциальном завихрителе и шахте водосброса.

10. Разработаны технические средства и универсальное базовое программное обеспечение для АСУ технологических процессов энергетике, цветной металлургии и горнодобывающей промышленности, а также специализированное (прикладное ) программное обеспечение, учитывающее особенности конкретных технологических схем и обеспечивающее адаптацию технических средств и базового программного обеспечения к конкретным объектам.

11. Теоретически обоснована и компьютерно реализована инженерная методика расчета основных параметров вихревого шахтного водосброса повышенной пропускной способности, что обеспечивается усовершенствованными завихрителями.

12. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования, разработаны новые конструкции, рекомендации и методики расчета, прикладное программное обеспечение, решающие комплекс задач о движении двухфазной жидкости в гидроциклоне и процессах сепарации твердой фазы, гидравлических характеристиках вихревого шахтного водосброса и его конструктивных элементов.

Основные результаты исследований, положенных в основу диссертации, опубликованы в следующих работах:

1. Бельгибаев Б.А. Прикладные задачи теории закрученного движения тяжелой двухфазной жидкости.-Алматы: Гылым, 1994.-114 с.

2. Бельгибаев Б.А., Ахмедов Т.Х. Численный расчет движения гидросмеси в цилиндрическом гидроциклоне. - Алма-Ата: Наука. 1987 г.- 47 с.

3. Бельгибаев Б.А., Ершин Ш.А., Жаппасбаев У.К., Касымбаев М.И К расчету газодинамического участка сверхзвуковой закрученной струи // В кн.: Сборник по вопросам механики и прикладной математики.- Алма-Ата: КазГУ им. С.М.Кирова, 1978,- с.50-56.

4. Бельгибаев Б.А., Криулько С.А., Апышева Х.К. Начала программирования на Турбо-Паскале /учебное пособие.- Усть-Каменогорск: ВКГУ, 1992, 47 с.

5. Бельгибаев Б.А. Криулько СЛ., Апышева Х.К. Программирование в среде DBASE /учебное пособие,- Усть-Каменогорск: ВКГУ, 1991,44 с.

6. Бельгибаев Б.А. Численное интегрирование уравнений Навье-Стокса, описывающих вихревое движение вязкой жидкости в цилиндрических гидроциклонах.- Алма-Ата, 1982,- 10 е.- Рукопись представл редкол. ж-ла "Вестник АН КазССР". Деп. в ВИНИТИ 18 февраля 1982 г., № 745- 82 Деп.

7. Бельгибаев Б.А. К расчету гидродинамических параметров цилиндрического гидроциклона // В кн. Численные методы механики сплошной среды.-Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, т. 12, №6, 1981, с.150.

8. Бельгибаев Б.А. К расчету гидродинамических параметров цилиндрического гидроциклона.- Алма-Ата, 1981,- 23 с,- Рукопись представл. редкол. ж-ла "Вестник АН КазССР". Деп. в ВИНИТИ 26 октября 1981 г., № 4879- 81 Деп.

9. Бельгибаев Б.А. Численный расчет цилиндрического гидроциклона.- Алма-Ата, 1982.- 20 е.- Рукопись представл. редкол. ж-ла "Вестник АН КазССР". Деп. в ВИНИТИ 15 августа 1982 г., № 2673- 82 Деп.

10.Бельгибаев Б.А. Гидроциклоны в цинковом производстве И В кн. Математика и механика, ч. 2., Вычислительная и прикладная математика,- Алма-Ата: КазГУ, 1984,с. 66 .

11 .Бельгибаев Б.А., Савченко Е.А. Некоторые особенности расширения использования локальных сетей микро-ЭВМ. // Сб. Проблемы вычисл. математики и автоматизации научных иссл-ий. Материалы 2-й Респ.конф-ии

по проблемам вычисл.математ. и автомат-ции научн.иссл-й, т.2. Теория упр-я и числ.методы экстремальных задач. Автоматизированные системы управления и проектирования.- Алма-Ата: Наука, 1988, с. 26.

12.Бельгибаев Б.А. Демонстрационная программа численного моделирования процессов тепломассообмена II Электронно - вычислительная техника в преподавании дисциплин физ-ro цикла, ч. 2., Всесоюзная научно-практ. конф-ия - Омск: ОМГПИ, 1987, с. 5.

13.Бельгибаев Б.А., Хаустова Т.А. Использование пакета демонстрационных программ и информационно - справочных программ на лабораторных занятиях по численным методам // Сб. Информатика и вычислительная техника в учебном процессе и управлении. Доклады V Областной научно-практ. конф-ции.- Омск: ОМГПИ, 1988, с. 112-114.

14.Бельгибаев Б.А.,Гета P.P. Компьютерный расчет спиральных завихрителей // Материалы школы - семинара по математике и механике, посвященной 60-летию член - корр. HAH PK К.А. Касымова,- Алматы, Гылым, 1995,с.38.

15.Бельгибаев Б.А., Никитин А.Н., Байбатыров E.H., Мамбетказиев Е.А. Устройство сопряжения потенциостата ПИ-50 с IBM - совместимой ПЭВМ И Материалы школы - семинара по математике и механике,посвященной 60-летию член- корр. HAH PK К.А. Касымова. - Алматы, Гылым, 1995, с. 107.

16.Бельгибаев Б.А., Хаустова Т.А. Информационно-поисковая система для автоматизации лабораторных работ по численным методам для микро-ЭВМ "Агат" // Сб. Педагогические аспекты компьютеризации обучения в высшей школе, ч. 2. Материалы Всесоюзн. научно-методич.конф-ции.- Рига: РПИ, 1988, с. 36-37.

17.Белыибаев Б.А., Хаустова Т.А., Петров В.А. Компьютеризация учебного процесса педвуза и интенсификация труда учителей II Сб. Проблемы повышения профессионализма и продуктивности педагогического труда. Материалы Всесоюзн. научно-практ. конф-ции,- Усть-Каменогорск-Ленинград: УКПИ, 1989, с. 161-162.

18,Бельгибаев Б А, Апышева Х.К. ПЭВМ "Ямаха" в обработке числовой, текстовой, графической и музыкальной информации /методические

рекомендации,- Усть-Каменогорск: УКПИ, 1990, 48 с.

Конпроеь Игж}*гю*| рабопы I расхода, теш 5 2 3 4

Контур регулирования расхода воды на осветление

Контур регулирования сгущения пульпы

1 2 5 3 4

Установке по месту

Диспетчерским пульт

Рис. 1. Гидроциклон в системе оборотного ГЗУ ТЭС

Рис. 2. Управление на базе ПЭВМ гидроциклона ГЗУ

яисхг^ящиетоки_

Рис. 3. Пространственная картина течения в Рис. 4. Конструкция и кинематическая схема движения

гидроциклоне потока в вихревом шахтном водосбросе

з' б' 9'

Рис. 5. Компьютерный расчет течения в-тангенциальном завихри1эле селезащитной плотины Медео

Рис. 6. Распределение линий тока в коническом и цилиндрическом гидроциклонах

V 2. 2 я. о 1.8 г.6

1.4

1 . 2 1 . О 0.8 О.6 0.1 о.г о

3

/ д

1. / ч

ч

/

Ыгол наклона «гц=0°

0.2 0.6

1. -\'о = 4,79 м/с ; Рг = 9,3В

2. = 14,37 м/с; Рг = 84,22

3. - Уо = 23.95 н/н ; Ъ = 233,9

Рис. 7. Блок-схема программы расчета траектории движения твердой частицы в гидроциклоне

Рис. 8. Траектория движения твердых частиц в камере гидроциклона

1. о х

за

Рис. 9. Функциональная блок-схема взаимодействия модулей пакета программ "Гидроциклоны и Вихревые шахтные водосбросоы"

Рис. 10. Схема сепарации твердой фазы в цилиндрическом гидроциклоне с обратной конической вставкой (приоритет № 3473983 / 26)

—— Слмрвяь Архммепа. Дуга радиуса Я(п] провоемте* нэ точки "О(г»}. Д(п{ равем расставим* от центр* 0)п] АО точки пересечения раануса Й(п-1) с диаметром, аеля«ции попоаан п-й квадрант.

.......Ло'армфимческм спираль

р-ас*? где а - исходный пэрамет *>- ппледный угоа. к=е1д 95

Рис. 11. Порядок очерчивания направляющих стенок

завихрителя, построенных по логарифмической и архимедовой спиралям и расчетная пространственная картина течения в спиральном завихрителе

Рис. 12. Сканерная и компьютерная обработка экспериментальных и расчетных данных для построения очертаний завихрителя с двумя подводящими каналами

РЕЗЮМЕ Белы ¿баев Бауржан Абдрахыш лы

С¥йык?ыц цуйын rapisfli крзгалысты конструкцияларынгщ здравликасы (есептеу 9Д1стер1, техналогиялык; процесстерд1 программалык; кдмтамасыз ету)

ОБ.23.16 - Гидравлика аене инженерл1к гидрология.

Диесертациялык; аиыыста Шыгыс Кдзакстан __ обльгсы PKôeiôiHiH базалщ саладарына (энергетика, ttctî металлур-, тау-кея eHflipici) технологиялщ процесстерд1 автоматтан-у, жгйел!к программадау, жанд акдаратты^ технологиялар, ете ед! конструкциялар ив н технологиялык; схемаларды кевинен далаяумен ерекшеленет1н жогары бвсмнпп технологиялык уклад-конверсиялщ тегнологияларкн жпгалдыру ма се деле pi к,арасты-ады. Тау-кен вндгр^сп, tyctî металлургия юзс^порындарынвд нологиялык, Х8л1лэр1нде, сонымен 6ipre ЕЭС гидроктлд! кетхру К) sïftecin айналыа сумен жабдьщтауда, гидротехникалык; к*рыта кзд^ен пайдаланылатын сепаратор ттр1ндеп аппараттар-ы (ттндыргыатарда, гидроцнклондарда, сепараторларда дане .с.) ктрдел1 к,*йна тер!зд1 агдадар мен н;?йын тэр1зд! шахта-су тус1рпштерд1 ееептеу usa. баскдру М1ндвттергн1д icrlairi Н£эакртан РеспуОлякасыныц к;алыптасуы мен т?ран;ты уы стратегиясшен аныцталады.

Конструкциялар жзне гидроциклондар мен к;*йын TepiSfli шах-ык; су TYcipriarrepsi^ параметрлвр!н есептеудщ жасалыаган ;а вд1стер1 ЗЭС-тщ ГНК жтйес1ндеп табиги суды тнеидеу, ;рокэталлургиялык; OHflipiciHflari пульптарды siKTey мен байыту бдеыаларан шешуте шмк1нд1к береди электролизд!к ваявадар-; апатсыэ жчыыст цамтамасыэ егед!, байыту фабрнкалары 'ал-набдыктарыныц *эан; уакнт ж?мыс icreyi мен бер1КТ1Л1Пн, MAiairtH арттырады. Мамандаяган программалын; кдмтамасыв г, шиыршыкты камералар иен к*йын тер!адi су т?с1рг1штердщ шадатцыштарыныц KQCKiHiH (конфигурацияларын) конструкциялау [ кобалауды автоматтандырады, олардыц етк1зпа кдб!лет!н ге талассыз таскднды тоцтату жагдайын болдайды.

SUMMARY

Baurjan A. Belgibaev

Hydraulics of the construction with the whiling motion of the liquid (methods of the calculation, new construction and programmes for automatic control of the technology process)

05.23.16-Hydraulic and engineering hydrology

The questions of the using high efficiency technology (fifth technology level), with automation of the work processes, systematize programmes with the wide using of the new information schemes, new constructions and. new technologies are investigated in this thesis. The actuality of the elaboration the calculation methods for the complicated whirling flows in the apparatus for the separations (desalting basins, hydrocyclones, centrifuges) and vortex shaft outlets are confirmed by wide using of these the non-ferrous metals plants, hydro- and heat power stations.

The new methods of the calculation which elaborated in thesis give the possibility to solve the problem of the water supply on the plants and stations with big economy of the water for cooling, and transport of the ash, also on the vortex shaft outlets high efficiency and reliability.