автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Гидродинамика газовзвеси в вихревых аппаратах

•П 1 ~ я ?

МОСКОВСКИ* ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

Поляков Сергей Николаевич

УДК 66.047.59

ГИДРОДИНАМИКА ГАЗОВЗВЕСИ В ВИХРЕВЫХ АППАРАТАХ

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Московском институте химического машиностроения.

■ Член-корреспондент Инхенерной Академии Российской Федерации, доктор технических, наук, профессор Муштаев Виктор Иванович. - доктор технических наук, профессор Холпанов Леонид Петрович,

кандидат физико - математических наук, старший научный сотрудник Казенин Дмитрий Александрович.

Ведущее предприятие - Московское научно-производственное объединение " Синтез

Защита диссертации состоится 1992 года

в » " час. " оо я мин. на заседании специализированного совета по присуждению ученой степени кандидата технических наук K0S3.44.04 в Московском институте химического машиностроения по адресу: 107884, ГСП, Москва,Б-66, ул. Старая Басманная, д. 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 1992 года.

Работа выполнена в Научный руководитель -

Официальные оппоненты

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

ШТАНОВ Л.Г.

.6И5ЛК0|'ЕК,

I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Заключительной стадией целого ряда производств является процесс обезвоживания конечного продукта в по-рошкообразом состоянии. Особенно остро проблема разработки новых, технологичных способов сушки таких продуктов стоит в пищевой, микробиологической промышленности, где требуется получить сухие концентрированные продукты, подлежащие длительному хранению, при полном сохранения их полезных свойств.

Значительный интерес для решения поставленной задачи представляет разрабатываемое в ШХМе направление использования для сушки порошкообразных продуктов аппаратов вихревого типа. Эти аппараты могут успешно использоваться и в других производствах, однако их широкое применение сдерживается отсутствием дашшх о характере движения частиц дисперсной фазы, а значит, и отсутствием информации о длительности воздействия сушильного агента на отдельные частицы высушиваемого материала.Характерной особенностью режима сушки в таких аппаратах является интенсивный перенос тепла и массы под воздействием турбулентных пульсаций газового потока. Поэтому исследование гидродинамики турбулентного потока гэзовзвеси в вихревых аппаратах и создание методики их расчета представляет собой актуальную задачу.

Данная работа осуществлялась в соответствии с координационным планом АН СССР по направлению ТОХТ на 1886-1992 годы (задание 2.28.2.8.5 "Разработка теоретических основ расчета и эффективных аппаратов для сушки дисперсных материалов в условиях пневмотранспорта").

Цель работы. Проведение комплексного исследования двухфазного потока "газ-твердое" в рабочем объеме вихревой камеры, включающего в себя определение на основе математической модели поля скорости турбулентного закрученного газового потока, ограниченного стенками камеры, изучение интенсивности турбулентного переноса в объеме вихревой камеры, расчет гидродинамически характеристик двухфазного закрученного потока и времени пребывания твердых частиц в зоне сушки, измерение полей скорости и характеристик турбулентного закрученного потока газовзвеси при помощи лазерного доплеровского анемометра, а также разработку методики

инженерного расчета вихревых сушильных аппаратов.

Научная новизна. На основе представлений о вихревой структуре широкого класса турбулентных течений предложена математическая модель турбулентного потока в вихревой камере с боковым подводом газа. Разработана численная схема, реализущая данную гидродинамическую модель, основными расчетными элементами которой являются дискретные вихревые ядра. На основе численного исследования получены оценки параметра вихревой вязкости в области течения,а также коэф&гциента турбулентной диффузии безынерционной примеси и твердых чвстиц в ограниченном стенками камеры вихревом потоке. На Сазэ модели сложного переноса твердых частиц в турбулентном вихревом потоке разработана модель движения потока газовзвеси в вихревой камере. Получены расчетные распределения тангенциальной компоненты скорости газа и частиц в вихревом потоке газовзвеси. Найдены зависимости удерживающей способности вихревой камеры по твердым частицам. С помощью лазерного доплеров-ского анемометра выполнено исследование турбулентного потока в вихревой камере, получены экспериментальные распределения средних значений и стандартных отклонений тангенциальной и радиальной компонент скорости тонкодисперсных частиц в объеме камеры. Разработана методика расчета гидродинамических и рекишнх параметров вихревых камер различной конструкции.

Практическая ценность и реализация работы. На основе проведенных исследований

- разработаны принципы расчета аэродинамических параметров и коэффициентов турбулентного переноса в вихревых камерах с несколькими подводами газа, с дополнительным периферийным отводом штока и аппарата с центральной перфорированной вставкой;

- разработана методика расчета гидродинамических параметров потока газовзвеси и среднего времени пребывания частиц в вихревой сушильной камере;

- методика расчета гидродинамических параметров вихревой сушильной камеры была использована при расчете и проектировании промышленного аппарата для сушки себациновой кислоты.

Автор заштопает. Результаты численного к экспериментального исследования турбулентного вихревого течения,ограниченного стенками камеры. Результаты численного моделирования турбулентного переноса безынерционной примеси и частиц в вихревой камере.

Результаты исследования движения потока газовзвеся в Еихревой камере. Методику расчета гидродинамических параметров потока газовзвеси и времени пребывания частиц в вихревой камере.

Аппробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на международной конференции "Тепло и массообмен в технологических процессах"(Юрмала, 1991 г.), Всесоюзной конференции "Механика и тепломассообмен двухфазных сред в технике и порошковой технологии"(Томск, 1991 г.), научно-технической конференции ШХМ 1991 года.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 4 научные статьи.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, заключения, четырех глав, основных выводов и приложений, изложена на 187 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 3 таблицы. Список литературы включает 136 наименований.

СОДЕШНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ известных методов интенсификации тепло- и массопереноса в процессе сушки дисперсных материалов. Установлено,что одним из перспективных способов ее интенсификации является создание вихревого рехима движения потока газовзвеси. Отмечено, что интенсификация процессов переноса тепла и массы в вихревом потоке возможна за счет увеличения скорости скольжения фаз и воздействия на частицы турбулентных пульсаций газового потока. Приведены результаты исследований ряда авторов об условиях дополнительной генерации турбулентных пульсаций в ограниченном стенками аппарата вихревом потоке, что создает благоприятные условия при проведении различных процессов. На основе классификации сушильных аппаратов вихревого типа установлено, что вихревая камера-сушилка имеет преимущества по сравнению с пневматическими и спиральными аппаратами, к которым можно отнести большое (до десятков секунд) время пребывания частиц в объеме аппарата. Подчеркивается, что основная трудность, которая возникла при описании движения потока газовзвеси в вихревых аппаратах - механизм формирования профиля концентрации дисперсной фазы и устойчивого транспорта частиц в радиальном направлении, который не удается описать в рамках моделей одиночных

частиц ели многоскоростного континиума. Приведены результаты исследований, где в качестве основного механизма транспортирования частиц дисперсной фазы рассматриваются турбулентные пульсации газового потока, а также подчеркивается, что соударения частиц со стенками камеры не могут обеспечить формирование наблюдаемого профиля концентрации частиц в радиальном направлении. Обоснована необходимость исследования турбулентного переноса в ограниченном стенками вихревом потоке, цель которого - разработка модели движения газовзвеси в вихревых аппаратах. Проведен анализ существующих методов исследования турбулентных течений, сделан вывод об использовании метода лазерной доплеровской анемометрии (ЛЕА) для исследования слокных вихревых течений. Сформулированы основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели турбулентного потока газа в вихревой^камере. Подчеркивается, что уравнения сохранения массы и импульса принципиально верно отражают явление турбулентности, но различные ограничения и вычислительна затраты не позволяют получать надежные результаты в численном эксперименте. Показано, что вихревые методы моделирования потоков, использующие информацию о вихревой стуктуре широкого класса турбулентных течений, могут служить основой для инженерных расчетов сложных вихревых течений.

В качестве объекта исследования взята вихревая камера, объем которой ограничен цилиндрическим корпусом (радиус гг) и цилиндрической поверхностью, радиус которой г, (рис. I.). Поток газа подается в камеру через узкую щель на образующей корпуса, ширина которой Ь , под углом а0 к касательной плоскости, параллельной оси камеры. Выгод потока осуществляется через кольцевой зазор в днище камеры. С целью упрощения были приняты допущения : вектор скорости газа в любой точке области течения параллелен плоскости, перпендикулярной оси камеры; влияние молекулярной вязкости велико только в тонком пристенном слое.В основе гидродинамической модели лекит уравнение переноса завихренности ш :

% " + (й = чуди; Дй= -^Х^' ш); 1 • и = , (I)

где t- время, й- вектор скорости газа, гу- коэффициент кинематической вязкости, 1 - вектор единичной нормали к плоскости течения. Представив функцию и в кольцевой области ( рис.2) при

Ряс.Расчетные профили тангекпиальксЯ коипсненха с:;орсс;я газа Ц.Ця частиц Цу з зихревом потоке газовззеся

помощи множества дискретных вихревых ядер, за пределами которых завихренность равна нулю, а внутри них завихренность постоянна, уравнение транспорта завихренности в подвижных координатах, пренебрегая влиянием вязкости в уравнении (I), имеет вид

—± - 2( г., t) , (2)

a t 1

где -положение центра 1-го вихревого ядра в плоскости. Если ввести вспомогательную плоскость if при помощи конформного отображения исходной плоскости 2 на IF с помощь» функции

»<*>=* 2ПЕ ' М i ) ' ' (3)

то образом кольцевой области является прямоугольная область (рис. 3). Искомая комплексная функция скорости u(w,t) во вспомогательной плоскости IV является аналитической функцией, за исключением конечного числа изолированных особых точек, которыми является центры вихревых ядер. Общее решение гидродинамической задачи мокет быть представлено в виде суммы

ti(tH,t)= Uy(!i>,t) + U0(w), (4)

где i^(ti).t) - комплексная функция скорости, индуцируемой конечным числом дискретных вихревых ядер, a uQ(w) -решение смешанной краевой задачи, удовлетворяющее условиям (рис. 3)

Ее [и0(ш)]= и, и*= const, при СИ i <1 и т| = | ;

Im luQ(w)]= 7(f). при 0s f <ое т] = 0;

1т [и0(ш)]= 0, при as £ <1 и г) = 0; г

и0(ш)= и0(«н-1), при 0< г) < \ и С = 0; -с )•

Решение смешанной краевой задачи выражается через интеграл

, 1 a i. (s-»0,5)- •ЙЛО) vu(w)=u + =fr f lV[s)-g(w,3)03-, ---, (6)

^ % i Ь ^(а-ш). -е., (0.5)

где "Sj- первая тэта-фуЕкция, представляемая рядом

п и и» (п+1) _

2-д '"«^(-1) -q . з1п [(2п+1 q = е" v

(7)

Если UQ - средняя скорость газового потока в щелевом вводе, то с учетом (3) выражения для и* и V(£) в плоскости W имеют вид:

и = П0> Еету соз Oq ; V(£)= UQ' 2гоу sln(Z%-Z) • (8)

(9)

Вихревая часть решения находится численно, при этом непрерывные вихревые слои заменяются дискретными вихревыми ядрами. Каждое вихревое ядро с единичной циркуляционной постоянной индуцирует плоское поле скорости, определяемое функцией

и^^.р) - ^ (•С1-(р-ш)/| р-ш | , если I р-ш |>сг ,

где ^положение центра вихревого ядра, р -точка, в которой индуцируется скорость, С^- критический радиус вихревого ядра. Функция должна удовлетворять следующим двум условиям:

иу(аь1,г); [и*+ иы(а>Д)]^=0 ^ _ 0 <10) Показано, что функция мокет быть представлена суммой

,1У) , (П)

где * - знак комплексного сопряжения, и^ - положение ^ вихревого ядра, 1?7- общее количество вихревых ядер, находящихся в данный момент времени в расчетной прямоугольной области, Г^ - циркуляционная постоянная.

Расчет поля скорости газа иллюстрируется следующей схемой:

1) выбор на твердой границе области контрольных точек Ь^ ,

..-И^.в которых записываются граничные условия;

2)на расстоянии Ог от твердой поверхности границы формируется новый одинарный слой, состоящий из множества вихревых ядер;

3) определяются неизвестные постоянные циркуляции внутри образованного вихревого слоя из системы линейных уравнений

А &= В; А =(а13)=(и°(Ь1,Ь;))); 0 =( Г^);

Г * ^ о 1 (12)

В =ф.)=-|и% I 1,3 = 1.....

3—^

где А - квадратная матрица, С- вектор неизвестных циркуляций, а В - известный вектор;

4) интегрирование уравнения переноса завихренности в дискретной форме (определение новых положений центров вихреЕых ядер)

й и>,

= и0(ю±) + (13)

при згой учитывается, что вихревое ядро, пересекающее границы расчетной прямоугольной области, разрушается; 5) расчет поля скорости газа в узлах неподвижной сетки, переход

к п.2 (для нового вихревого слоя) и повторение расчета. Полученная информация в виде множества мгновенных полей скорости газа используется для расчета средней скорости потока и оценок интенсивности турбулентных пульсаций в узлах неподвижной сетки.

Транспорт дисперсных частиц в вихревой камере исследовался на основе уравнения сложного переноса скалярной субстанции а (объемная концентрация частиц), которое с учетом цредположения * ~]5 Щ ' было преобразовано к уравнению радиального переноса

+ 4- — < а [Р > " ~Г — (Р )+3а- (14)

ар " ар Рос " д р Р»р и

где [Рр30С - скорость центробежного осаадения одиночных частиц, О - коэффициент турбулентной диффузии частиц, За - функция источника частиц. При нахождении оценок для .1) предполагалось подобие процессов турбулентного переноса импульса и переноса частиц. Последнее означает, что Вр пропорционален коэффициенту турбулентной (вихревой) вязкости V,.,оценки для которого были получены на основе модели подсеточной турбулентности Дирдорфа

V2. 181а|. (15)

где ¿с- наименьший допускаемый сеточный масштаб ( ¿0= 2«Сг), а С = 0,10 (соответствует скорректированному Дирдорфом значению универсальной константы инерционного диапазона турбулентности, полученному А.Н.Колмогоровым). Оценка г^ в соответствии с (15) сводится к расчету тензора скоростей деформации Б^ для каждого расчетного ядра, с последующей аппроксимацией функции VI в области течения по ее значениям в отдельных точках данной области. Для среднего значения коэффициента турбулентной вязкости г^ в объеме аппарата на основе расчета по формуле (15) и осреднения получеЕо значение для а0= 20° и г = 0,26

1/йе^ гу(гг.1Г0)= 0,32. (16)

Коэффициент турбулентной диффузии частиц безынерционной примеси В1. определяется по уравнению: Вс ( 5с - турбулентное

число Шмидта). Уравнение для расчета коэффициента ^получено на основе исследований A.M. Кутепова и A.M. Губанова и имеет вид

v v^p-Ах • V-ф(х)= {S Ц7)

Ьр= 2, Ыр= , при 2.Ю-4 s dp < 2 «Ю-3 м,

где Ьр - множитель перехода, и - частота релаксации частицей возмущения, получаемого ей со стороны турбулентного потока, dp-диаметр частиц, а Дт- время диффузии.

Исследование турбулентного переноса в вихревой камере позволило получить замкнутую систему уравнений, описываицую движение газовзвеси в вихревой камере, которая может быть представлена.

Щ = < а-[Voo+ ~Г )7V V V • V

®ф = гт 'Р а'Рр' иф + "ф = (1-<х).р°).шф;

иф2 /р = V е0-|й-зиу00 ; •2'V [Voc 'f> = To-Eo-I® - V5 (I8)

1 гз

it = Iд1 -J * a.p.dp ; Г1

2». 70- {0-lfi " V'p,dp = {10}вх" {IeW '

ГД9 |fi - = /(иф - иф)*+ [Up]|0 , To= 0,75. p° / (pj.dp),

E0= - ti|'dp /Vj), n = ба /icdp ,a in - эффективная скорость газовзвеси, Гт- постоянная циркуляционного движения газовзвеси, и z v обозначают соответственно скорости газа и частиц, р° и р°-истинные плотности газа и частиц, (Ie)BS и iIeJBHZ - потоки кинетической энергии газовзвеси на входе и выходе вихревой камеры соответственно. Предполагается, что время диффузии А г совпадает со средним временем пребывания частиц в аппарате. Параметр Ia представляет собой относительный объемный расход твердых частиц в единицу времени

Ia = Vb'V Р? /(2%-гг- (19)

где 7 - относительный массовый расход частиц. В качестве граничного условия для а использовалось условие: а(г,)= 0.

Сястена уравнений (18) и оценка (16) легли в основу методики расчзга гидродинамических параметров газовзвеси, среднего времени предания частиц в аппарате и удерживавдей способности влхрэвой камеры по твердым частицам. Численное решение системы уравнений для заданных значений параметров г1, г2, П0, Ъ, <2р, 7Н позволило установить, что распределение объемной концентрации твердых частиц по радиусу описывается экспоненциальным законом, при котором функция концентрации а достигает своего максимального значения вблизи нарукной стенки камеры. Масса частиц, одновременно находящихся в объема аппарата (удерживающая способность), возрастает с увеличением диаметра частиц и относительного массового расхода частиц 7М. Расчетный профиль тангенциальной компоненты скорости газа в вихревом потоке газовзвеси (рис.4) можно представить как результат существования двух дви-18ний в аппарате. Квазитвердое вращение газового потока происходит в периферийной части аппарата, где концентрация частиц велика, движение газового потока, напоминающее потенциальное, происходит в центральной части аппарата, где концентрация частиц мала. Расчетное среднее время пребывания частиц малого размера оказалось меньше, чем аналогичный параметр для более крупных частиц (рис. 5), что совпадает с экспериментальными результатами других исследователей.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию структуры турбулентного вихревого потока, ограниченного стенками камеры, и измерению интенсивности турбулентного переноса в вихревой камере. Изложены оснсвные принципы измерения скорости потока с помощью лазерного доплэровского метода. Обсуждаются основные технические стороны исследования потоков с помощью ЛДА: выбор эффективной оптической схемы измерительного устройства, влияние пространственной поляризации света в освещающих пучках на интенсивность отраженных световых волн, влияние свойств рас-сеивавдшс свет частиц на качество регистрируемого оптического сигнала, преобразование оптического сигнала в электрический, получение информации об ортогональных компонентах скорости потока и измерение частоты доплеровского сдвига.

Дано описание экспериментальной установки и использованной в измерениях оптической конфигурации измерительной системы фирмы 251. Для одновременного измерения тангенциальной и ради-

альной компонент скорости газового потока в экспериментальной вихревой камере использовалась четырехпучковая двухцветная дифференциальная оптическая схема. Оптическая ось измерительной системы была параллельна оси вихревой камеры. При измерении радиальной компонента скорости газового потока в различных частях аппарата было установлено, что измеряемая величина меняет знок во времени. В этих условиях использовался начальный сдвиг частоты излучения одного из пучков внутри одноцветной пары, при помощи которой измерялась данная компонента скорости. Величина упомянутого частотного сдвига составляла 5 МГц. Для пометки потока использовались тонкодисперсные кристаллы поваренной соли, получаемые при испарении капель раствора соли, вырабатываемых струйным генератором вэрозоля. Метящие частицы подавались в камеру вместе с потоком газа. Поток рассеянного на частицах света, содержащий информацию об обеих ортогональных компонентах скорости, оптически разделялся на два световых потока с разными длинами волн, каждый из которых содержал информацию только об одной компоненте скорости. Частота долеровского оптического сигнала, преобразованного в электрический сигнал, измерялась при помощи цифрового устройства типа "ссипгег".

Экспериментальная информация о векторе скорости потока в каждой исследуемой точке представлялась множеством измеренных скоростей тсккодисперсннх частиц, попавших в измерительный объем ( его диаметр составлял около 0,15 ь^м ), за некоторый интервал времени. Количество частиц, скорость которых фиксировалась измерительной системой,в каждом измерении составляло 2+4 тысячи.

Установлено, что экспериментальное распределение измеренных значений тангенциальной компоненты скорости газового потока аппроксимируется законом Гаусса, а экспериментальное распределение измеренных значений радиальной компоненты скорости газа язляется бимодальным, с близким к нулю средним значением и стандартным отклонением, величина которого в несколько раз больше, чем упомянутое среднее значение. Анализ экпериментальных распределений подтвердил предположение о том, что пульсации газового потока в направлении радиуса способствуют выносу частиц из аппарата и уменьшают дисбаланс мевду силой инерции и силой от радиального стока газа.

Интенсивность влагосьема с поверхности частиц, скорость

сколыюния фаз тесно связаны с интенсивностью циркуляционного движения газового штока в аппарате, которая характеризуется распределением среднего значения тангенциальной компоненты скорости газа. Экспериментальный профиль тангенциальной компоненты скорости в направлении радиуса изображен на рис.6, где изображен также расчетный профиль. Значение осредненной тангенциальной компоненты скорости газа имеет локальный максимум в непосредственной близости от щелевого ввода газа. Это говорит о том, что истечение газа в аппарат через узкую щель происходит в виде струи. Расчетная кривая (рис.6) с достаточной точностью описывает распределение тангенциальной компоненты скорости газа и отражает струйный характер течения, хотя точки локального максимума сдвинуты друг относительно друга. Численный эксперимент показал, что этот сдвиг убывает с уменьшением критического радиуса вихревого ядра Сг (величина, которая определяет толщину вязкого пристенного слоя в гидродинамической модели).

Расчет осредненной радиальной компоненты скорости газового потока и ее измерение в объеме камеры дали совпадающие результаты и позволили сделать вывод о том, что движение газового потока в радиальном направлении, рассматриваемое как осредненное во времени, не способно обеспечить устойчивый транспорт твердых частиц в радиальном направлении.

Использование метода ЛДА дало необходимую экспериментальную информацию о характеристиках турбулентности для газового потока в вихревой камере, что позволило косвенным путем оценить интенсивность турбулентного переноса в аппарате. Численный эксперимент дал возможность расширить экспериментальную информацию и подвергнуть ее анализу. Экспериментальные значения нормированного стандартного отклонения радиальной компоненты скорости Ор /170, характеризующего турбулентные пульсации газа в радиальном направлении, которые отслеживались тонкодасперсными метящими частицами (рис. 7), удовлетворительно совпадают с результатами рас- ■ чета. На рис.8 изображено поле параметра Ор /0'0, полученное расчетным путем. С помощью численного эксперимента было установлено, что в пристенной области существуют значительные пульсации газового потока в угловом направлении, интенсивность которых при удалении от стенки в центральную часть аппарата убывает. Тонкодисперше частицы в пристенной области совершает случайные

10 5

О

7

ОС

I - &=0,С5 ; 2 - ^ =0,10 расчет при 30 м/с, размеры камеры: Я =0,05 а, /¿=0,1 м, ¡1=0,1 и, & =0,02 м.^200

Я У

.-Л

и? и,

{г {о 01

а 4 В 8 ¿р.Ю'Ъ

Рис.5.Зависимость среднего времени пребывания частиц

в вихревой суиильной камере от их__дкаиетра ©

Но №

т

л

004

ОЛ

О 100 200 300Щгряс1

0,$ 0,$

Рис.б.Экслепииентальный (I) и

расчетный (2) профили танген- . _

циалвной компоненты скорости (точки) значений (Го/т/.

газа в вихревой каиере (при^*о,67 ; =28 м/с)

Рис.7.Сопоставление расчетных (линия) и экспериментальных

"90 270 ЩграЗ.

Рис.8.Расчетное распределение нормированного стандартного отклонения радиальной компоненты скорости вихревой камере (при ?=0,26 , 4=20°)/

перемещения в радиальном направлении не только под действием радиальных пульсаций потока газа, но и под действием пульсаций потока в направлении угловой координаты. Это было установлено при анализе различий между экспериментальными и расчетными полями параметра ор /и0 .

Исследование соответствия между измеренными характеристиками турбулентного потока и расчетными величинами было выполнено при помощи метода двухфакторного дисперсионного анализа данных без повторения опытов. Статистическая гипотеза совпадения измеренных и расчетных значений исследуемых параметров проверялась при помощи критерия Фишера, на основе которого был сделан вывод об адекватности разработанной гидродинамической модели реальному объекту и состоятельности оценки для коэффициента турбулентной вязкости, которая была использована в расчете характеристик потока газовзвеси.

Экспериментальное исследование движения турбулентного потока в вихревой камере подтвердило, что нерегулярные турбулентные пульсации газозого потока передаются твердым частицам, которые движутся также под действием сил инерции. Турбулентные пульсации способствуют существованию газовзвеси, а сила инерции стремится пространственно разделить дисперсную и газовую фазы. ■

Четвертая глава посвящена техническому приложению результатов исследования, рассматриваются принципы конструирования и расчета вихревых аппаратов различного типа: вихревой сушильной камеры с несколькими подводами газового потока, вихревой сушильной камеры с дополнительным периферийным отводом потока, вихревой сушильной камеры с центральной перфорированной вставкой. Представлены исходные данные и результаты расчета на ЭВМ характеристик газовзвеси и времени пребывания частиц в вихревой сушилке для сушки себациновой кислоты. Данная методика использовалась при расчете промышленного аппарата для сушки себациновой кислоты, производительностью 650 кг/час по сухому продукту, который эксплуатируется на Северодонецком ПО "Азот".

На базе результатов выполненного исследования разработаны рекомендации по конструированию и эксплуатации промышленных вихревых аппаратов: вихревых пылеуловителей, топок, сушилок. Турбулентные пульсации газового потока в вихревых аппаратах, предназначенных для улавливания шли (капель), способствуют выносу

частиц из ашарата. Реальный способ уменьшить воздействие пульсаций - сеизить ¡а линейный масштаб (уменьшить основные размеры аппарата и использовать несколько аппаратов меньшего размера). Турбулентные пульсации газового потока обеспечивают устойчивый транспорт дисперсных частиц в вихревых топках и сушилках и интенсифицируют процессы, связанные с переносом тепла и массы. Основной способ улучшения работы этих устройств - обоснованный выбор размеров аппарата, которые должны определяться с учетом гранулометрического состава дисперсного материала газовзвеси, поступающего в аппарат.

ОСНОВНЫЕ вавок И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Ка основе вихревых методов моделирования турбулентных течений предложена гидродинамическая модель турбулентного потока в вихревой камере.

2. Разработана численная схема, реализующая гидродинамическую модель турбулентного закрученного потока, на основе которой получены расчетные характеристики осредненкого и пульсецион-ного движения газа в вихревой камере,

3. Pia базе модели подсеточной турбулентности численно исследован процесс турбулентного переноса безынерционной примеси и твердых частиц, предложено математическое описание движения потока газовзвеси в вихревом аппарате.

4. Ка основе комплексного экспериментального исследования турбулентного потока в вихревой камере, несущего тонкоднсперсныз частицы, при помощи лазерной доплеровской измерительной системы TSI выявлен струйный характер движения потока в пристенной области и интенсивный турбулентный перенос в направлении радиуса.

5. На основе сравнения экспериментальных и расчетных характеристик осредненного и пульсационного двикения потока в вихревой камере, установлена адекзатность разработанной гидродинамической модели реальному объекту.

6. На основе полученных экспериментальных и теоретических результатов разработаны новые конструкции вихревых сушильных аппаратов.

7. Результаты работы использованы при расчете аппарата для сушки себациновой кислоты, эффект от внедрения которого на Северодонецком ПО "Азот" составил более 250 тысяч рублей в год.

Основные обозначения :

Ъ - ширина щелевого ввода вихревой камеры; Сг - критический радиус вихревого ядра; <Jp - диаметр дисперсных частиц; Dp - коэффициенты турбулентной диффузии безынерционной примеси и частиц; - енсотэ вихревой камеры; I - поток кинетической энергии; 1а - мощность источника частиц; Nv- число вихревых ядер в расчетной области; Nb - число граничных контрольных точек; г2' г1~ цилиндрического корпуса камеры и цилиндрической

вставки; S^ - тензор скоростей деформации; t - время; и , Ь -векторы скорости газа и частиц; средняя скорость газа на входе в камеру; Ф -эффективная скорость газовзвеси; а - объем- . ная концентрация частиц; aQ- угол ввода газового потока ; 7М -относительный массовый расход частиц; Дг - время диффузии; vt - коэффициент турбулентной вязкости; р® - истинная плотность газа и частиц; i - параметр формы; ш - завихренность; I - мнимая единица; Re, Im - действительная и мнимая часть комплексного числа, (р, ф)- полярные координаты; v- оператор Гамильтона ; Д - оператор Лапласа.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. С.Н. Поляков, В.И. Муштаев Турбулентные пульсации газового потока и поперечное движение частиц в аппаратах вихревого типа.- В кн. Материалы Всесоюзной конференции "Механика и тепломассообмен двухфазных сред в технике и порошковой технологии", Томск, Изд.Томского Университета, IS9Ir., с. 35.

2. В.И. Муштаев, С.Н. Поляков Моделирование аэродинамики газовзвеси в вихревой камере на ЭВМ.- ТОХТ, 1991, т.25, Я 6,

с. 853-860.

3. Ju.N.Goriunov, S.N.Polyakov, A.Sem.Tlmonln, V.I.Mushtaev Mathematical Modelling oî the Dispersion Material Motion in the Vortex Chamber.- Heat and Mass Transier In Technological Processes, Abstracts of reports of international conference, Jurmala 1991, pp. 7-8.

4. С.Н. Поляков, В.И. Муштаев Турбулентный перенос в вихревых сушильных камерах.- Моск. ин-т хим. машиностр. М.,1992. 10 с. ( Рукопись депонирована в ЦИНТИхимнефтемаше 05. 03. 1992,

* 2217-хм 92 ).