автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование и аэродинамическое исследование турбулентного течения запыленного потока в золоуловителях

На правах рукописи

Аль-Замили Алн Мирали Джаснм (АЫ МЕЕЯАЕЛ ЛАвГМ АЬ^АМГЬУ)

005013033

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ ЗАПЫЛЕННОГО ПОТОКА В ЗОЛОУЛОВИТЕЛЯХ

Специальности:

05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы, комплексы

программ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 9 Ш? 2072

Барнаул - 2012

005013033

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Алтухов Юрий Александрович

Официальные оппоненты: Папин Александр Алексеевич,

доктор физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный университет», профессор кафедры дифференциальных уравнений

Кузнецов Гений Владимирович,

доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Томский политехнический университет», заведующий кафедрой теоретической и промышленной теплотехники

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный

университет»

Защита состоится «13» апреля 2012 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212,005.04 в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный университет» по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61, 416 Л.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный университет» по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61.

Автореферат разослан «11» марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

С.А. Безносюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность рассматриваемой проблемы. С ухудшением экологической ситуации в мире - по данным ООН ежегодно в атмосферу выбрасывается около 2.5 млн. т пыли - проблема загрязнения атмосферного воздуха от техногенных промышленных выбросов стала важным критерием при выборе различных вариантов технологических процессов и оборудования.

В связи с возрастающими энергетическими потребностями и высокой степенью зависимости производства энергии от ископаемого топлива - по прогнозам министерства природных ресурсов РФ с 2030 г. первое место в топливно-энергетическом балансе России займут уголь и атомная энергетика - несомненна актуальность конструктивного и технологического совершенствования пы-леочистного и золоочистного оборудования.

Одной из важных проблем борьбы с загрязнением окружающей среды являются контроль над выбросами твердых примесей (зола, дым и несгоревшие мельчайшие частицы топлива (унос)) в атмосферу. Поэтому дымовые газы перед выбросом их в атмосферу необходимо очищать от золы и уноса в специальных устройствах - золоуловителях, которыми оборудуются почти все современные котельные, работающие на твердом топливе.

Золоуловитель - это газоочистителыюе устройство для улавливания летучей золы из дымовых газов. Технические, экономические и технологические разработки, направленные на повышение эффективности золоуловителей, невозможны без изучения гидродинамических особенностей движения частиц во вращающемся потоке газа и последующего улавливания частиц.

Поток в золоуловителе имеет достаточно сложную структуру, что связано с турбулентностью, наличием твердых включений, трехмерностью и, в общем случае, нестационарностью. Как известно, вычислительная гидрогазодинамика (СРБ), наряду с экспериментальными методами изучения возникающих проблем, может достаточно точно смоделировать турбулентные потоки, реализующиеся в газоочистных устройствах. Требуемая точность моделирования в известных работах достигается использованием достаточно полных математических моделей, описывающих течения запыленного потока в различных устройствах, и надежных алгоритмов численного исследования сформулированных задач.

Практическое использование математических моделей, численных методов, комплекса программного обеспечения и экспериментальных модельных установок позволило бы существенно повысить точность и эффективность проектирования промышленных золоулавливающих установок.

В данной работе разработан расчетно-моделирующий комплекс, состоящий из нескольких взаимосвязанных частей, каждая из которых включает специализированное программное обеспечение.

Цель работы заключается в разработке численно-экспериментальной методики изучения турбулентного течения запыленного газового потока и расчете эффективности 2-х разных типов золоуловителей - центробежный золоуловитель (ЦЗУ) и лабиринтный золоуловитель (ЛЗУ) - с различными конструктив-

ными особенностями при различных режимах работы, а также в выработке рекомендаций, определяющих оптимальные параметры золоуловителя, обеспечивающие более высокую степень очистки потока от дисперсной фазы. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: В теоретической части работы:

1. Изучены и сформулированы уравнения для потока и движения частиц в золоуловителях, выбрана математическая модель турбулентности газа в золоуловителях и сформулированы краевые условия для газа, твердых частиц и параметров турбулентности.

2. Построены конфигурации расчетных моделей с помощью система автоматизированного проектирования - программа SolidWorks - и адаптирован метод конечного объема и SIMPLE алгоритм (комплекс программ - STAR-CD) для решения трехмерных уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу.

3. Разработан алгоритм многовариантного анализа и выбора оптимальных геометрических и режимных параметров золоуловителей, проведено численное исследование и сравнение полученных результатов с экспериментальными результатами.

4. Исследованы разные типы золоуловителей при различных режимах работы, определена эффективность и предложены рекомендации по выбору оптимальных конструкций золоуловителей.

В экспериментальной части работы исследованы различные режимы течения запыленного газового потока в 2-х модельных экспериментальных установках - получены поля скорости, давления и эффективность улавливания дисперсной фазы г|. Эффективность улавливания частиц определялась весовым

М -М

методом с помощью ситового анализа, причем Л= ——^-100% и

Мвх

Мох, МВЬ|Х - масса частиц в газах на входе в аппарат и после выхода из аппарата.

Объектом исследования является течение запыленного газового потока в золоуловителях.

Предметом исследования являются математическое моделирование течения запыленных газовых потоков и исследование аэродинамики турбулентного течения в разных типах золоуловителей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы численного решения дифференциальных уравнений в частных производных и систем нелинейных дифференциальных уравнений. Для проведения вычислительных экспериментов использовались программные пакеты с открытым программным кодом. Аэродинамические параметры потока определялись экспериментально на модельных устройствах.

Научная новизна. Разработана математическая модель процессов, протекающих в запыленных турбулизованных потоках в золоулавливающих устройствах сложной геометрической формы. Предложена вычислительная технология исследования процессов массопереноса в турбулентном запыленном газовом потоке в золоуловителях различной геометрии, позволяющая выбрать

оптимальные значения конструктивных и режимных параметров при проектировании и реконструкции золоуловителей.

Разработанной программно-экспериментальный комплекс позволяет определять как эффективность золоулавливания конкретных золоуловителей, так и выбирать на основе многовариантного численного моделирования конструкции, удовлетворяющие заданным требованиям по энергозатратам.

Предложены рекомендации по конструированию расчетной сетки, обеспечивающие достижение приемлемой для инженерной практики точности расчетов.

Экспериментально исследованы процессы золоулавливания на модельных установках и определены параметры протекающих процессов, которые подтвердили адекватность разработанной математической модели.

Степень достоверности полученных результатов. Все основные положения и выводы, сформулированные в диссертации, обеспечиваются корректностью постановок задач, использованием апробированных вычислительных алгоритмов и расчетных схем, а также сравнением результатов численного анализа с данными, полученными на экспериментальных установках. На защиту выносятся:

1. Обоснование математических моделей, описывающих турбулентное течение газа и поведение частиц в золоуловителях.

2. Рекомендации по конструированию расчетной сетки и выбору моделей турбулентности, позволяющие рассчитывать течения запыленных газовых потоков в золоуловителях разных конструкций при различных режимах работы.

3. Разработанный комплекс программ, обеспечивающий технологию многовариантного анализа и выбора оптимальных геометрических и режимных параметров в золоулавливающих установках - программный интерфейс, обеспечивающий взаимодействие между программами SolidWorks, STAR-CD и экспериментальными данными.

4. Результаты численного и экспериментального исследования турбулентного течения запыленного газа в разных типах золоуловителей, расчета эффективности улавливания.

Теоретическая н практическая ценность работы. Адекватная вычислительная модель, позволяющая получать поля скоростей, давления и распределение дисперсной фазы в рассматриваемых устройствах, дает возможность выбора оптимальных параметров конструкции и режимов работы. Корректное численное моделирование, подтвержденное сравнением с экспериментальными данными, не уступающее эксперименту по точности, дает возможность сокращения затрат на проектирование новых и реконструкции существующих устройств.

Полученные результаты могут использоваться в учебном процессе при организации специальных курсов для аспирантов и студентов.

Личный вклад автора. Участие в постановке всех сформулированных задач, проведении вычислительного эксперимента, обработка результатов экспериментального исследования. Сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными. Обсуждение результатов и формулировка выводов. В постановке отдельных задач и обсуждении результатов участие принимали

С.М. Кисляк и Ю.А. Алтухов, как соавторы научных работ. Все результаты, имеющие научную новизну и выносимые на защиту, получены автором лично.

Апробация основных выводов и предложений. Основные результаты докладывались на российских и международных конференциях и семинарах:

II международная научно-практическая конференция иностранных студентов и аспирантов (Барнаул, 2011 г.); Всероссийский инновационный форум «Современные тенденции химической технологии и теплоэнергетического комплекса (Технологии XXI века)» (Бийск, 2011 г.); 8-я Всероссийская научно-техническая конференция «Наука и молодежь - 2011» (Барнаул, 2011 г.); VII Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике (Кемерово, 2011 г.); Международная заочная научно-практическая конференция «Наука и Техника в Современном Мире» (Новосибирск, 2011 г.); XIII Международная научно-практическая конференция «Наука и современность - 2011» (Новосибирск, 2011 г.); Международная научно-практическая конференция «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2011» (Одесса, 2011 г.); Международная школа-семинар «Ломоносовские Чтения на Алтае» (Барнаул, 2011 г.) (диплом победителя); V Международная научно-практическая конференция «Научное творчество XXI века» (Красноярск, 2012 г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 13 печатных работах, в том числе в: журналах из списка ВАК - 3, научных журналах - 7, материалах трудов конференций и семинаров - 3. Общий объем публикаций - 0,36 п.л. (лично автора - 0,15 пл.).

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков, 5 таблиц и списка литературы, включающего 137 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дана общая характеристика диссертации, сформулированы актуальность проблемы, цель работы, объект и предмет исследования, методы исследования, научная новизна, достоверность полученных результатов, практическая ценность работы, вклад автора, апробация работы и краткий обзор содержания.

В первой главе проведён анализ научно-технической литературы, посвященной методам экспериментального и численного исследования течения запыленного потока в золоуловителях. Приведены общая характеристика запыленного потока в золоуловителях и описаны физические и гидродинамические свойств запыленного газового потока, которые влияют на эффективность золоуловителей. Приведены основные вычислительные модели гидрогазодинамики, использующие подходы Эйлера-Эйлера и Эйлера-Лагранжа. Проведен выбор модели турбулентности и сформулировано направление исследования.

В работе изучены 2 конструкции золоуловителей (рис. 1-6): 1. ЦЗУ с тангенциальным входом без закручивателей и с разными высотами закручивателей (Ь = 120 мм, 250 мм, 400 мм и 600 мм) для разных высот труб (а = 100 мм, 200 мм и 300 мм) (15 различных модификаций).

2. ЛЗУ без перегородок, с открытыми щелями, с закрытыми щелями при разных входных скоростях (4 м/с, 6 м/с, 8 м/с и 10 м/с) (12 различных модификации). ЛЗУ с открытыми щелями для разных высот ЛЗУ (40 мм, 60 мм, 80 мм и 100 мм) при их постоянной ширине и разных входных скоростях (6 м/с и 10 м/с) (8 различных модификаций).

Рис. 1. ЦЗУ с тангенциальным входом (экспериментальное оборудование) Рис. 2. ЦЗУ с Ь = 400 мм, а = 300 мм

Рис. 3. ЛЗУ (экспериментальное оборудование)

Рис. 5. Модель ЛЗУ с закрытыми щелями

Рис. 4. Модель ЛЗУ с открытыми щелями (высота ЛЗУ = 40 мм)

Рис. 6 Модель ЛЗУ без перегородок

Во второй главе описана математическая модель турбулентного трехмерного течения несущего газа, которая включает систему уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу и замкнутых по гипотезе Буссинеска, имеющая в декартовой системе координат стандартный вид [2, 3]:

Ф | д(Рц|) = 0 & 5х-, '

) + ^(ри^) = + + (Тц),игЦ,

5 [и!(Тц>1ат + и;(Ту)1иг],

й 1 ох j

-(рЕ)+—(ри,Н)=—

Ш ч Зк

+-

где I - время; р - осредненное давление; р - осредненная плотность р = р/КТ; Я - универсальная газовая постоянная; Т - осредненная температура; Х| - декартова координата (1 = 1,2, 3); и; - компонента осредненной скорости газа в направлении х;; 8] - компоненты изменения плотности сторонней силы; рк2

= 0.09 —— - турбулентный коэффициент динамической вязкости; е

Т 273 15 + С

ц=(-)15 —:--ц0 - ламинарный коэффициент динамической вязкости;

273.15 Т 4* С^

к - турбулентная кинетическая энергия; е - диссипация турбулентной кинетической энергии; ц0 - ламинарный коэффициент динамической вязкости при стандартных условиях; С5 - константа Сазерленда; (х^)|ап1 и (ту)шг - ламинарное

и турбулентное напряжения Рейнольдса, соответственно; яц и - ламинарный и турбулентный тепловой поток, соответственно; Е - полная внутренняя энергия; Н - полная термическая энтальпия.

Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры задается в виде К=К0(1 +Р(Т-Т0)>; К0 - коэффициент теплопроводности при стандартных условиях; р - коэффициент расширения.

На начальном этапе вычислительного эксперимента использовались 2 различные модели турбулентности (стандартная к-е модель для больших чисел Рейнольдса и ИЫй к-е модель), что позволило выбрать более точную и надежную модель для достаточно широкого класса турбулентных течений в золоуловителях. Такой моделью оказалась модель 1ШС к-е, имеющая вид [1-3]:

д , .. д , , щ. бк Йи; 2: 1 5р. 2, &Л\ .. 6и:

от дк^ дх^ дх^ а^ р сХ| 3 стц дх{

-(ре)+— St 5xj

/ Mt ч SB

duj 2 5uj aij CXj 3 CXj CXj

Г E„ Si 1 ^P к ahitpdxj

„ Е2 _ йц с (5к/Е)3(1-(8к/Е)/л0)рЕ2

Се2РТ + СЕ4РЕтг—--;-V .

к дх\ 1+Р(8к/Е) к

где См= 0.085; стк= ас= 0.719; оь= ст= 0.9; Сс,= 1.42; Сс2= 1.68; Сс3= 1.42 при

_Ф >() н нудь ,шаче. Се4= _0 387; К= 0 4. Е= д. 4 38; р= 0 012 ан, рйх1

Движение частиц, взвешенных в турбулентном потоке газа, описываются в рамках стохастического лагранжевого подхода в виде [2, 3, 13]

<Кхр)| , ч ^"р^ (и1-(ир)|)х 1 ^г с с г с с -~=-+ Хр = рр+Рат + Рм+Р5+Рти+Рт,

dt

где т„ =

1ро

{24/Rep Ppdp

р [CD/(24/Rep)] ^ CD )

18ц

■ время динамическои релаксации частиц;

(хр)|, (ир)| - координата и скорости частицы; шр = рр - масса частицы;

рг - плотность частицы; с1р - диаметр частицы; I - время; g - ускорение свободного падения; Со - коэффициент сопротивления частицы для несжимаемого потока является функцией числа Рейнольдса:

Сп =

24/Rep

24 (1 + 0.15 Rep687) / Rep 0.44

Rep<l l<Ren<103

Rep =

dp|ui-(up)i|.

Rep > 10'

,3

U| - осредненная скорость газовой фазы; v - кинематическая вязкость газовой фазы; р - плотность газовой фазы; |u| -(up)j| - модуль относительной скорости

частицы, |u i - (и р| = ^(и - и р )2 + (v - vp):2 + (w - wp )2 .

Fp - сила вследствие градиента давления; Fam - сила действительной массы; FM - сила Магнуса; Fs - сила Сэфмена; FTu - сила турбофореза; FT - сила тер-мофореза.

Основным показателем, характеризующим работу золоулавливающих аппаратов, является степень улавливания г|, определённая ранее.

Краевые условия для турбулентного несущего газа приведены в таблице 1, а граничные условия для частиц на стенке определялись исходя из закона упругого соударения частиц с непроницаемыми стенками.

Таблица 1

Краевые условия_

Начальные условия (1 = 0)

сЗ/4кЗ/2 и = Ц„; v=w = 0; Т = Т,„; к = к; =^(1ЦП)2 ; £=Ё1 = ц ' . 2. К

Граничные условия

Стенка На стенке отсутствует скольжение и используется стандартная "функция стенки" "х |—1п(9у+) ,У+>У;' т т кту+ >У+^УТ (-От,» срри^ °т,1(—.У+>Ут ' "т гЗ/4.3/2 1с Ц ' С М Р ку где ит =(т№/р)'/2; у+=^; у^,--1п(9У^) = о; V к ОтУт-ат,»[^1п(9ут) + Р1] = 0; и, - тангенциальная скорость газа; Т«, - температура у стенки; Р( - коэффициент сопротивления подслоя; С>т> - тепловой поток из стенки в газ; 0т - число Прандтля-Шмидта; ат,1 - турбулентное число Прандтля-Шмидта.

Вход Поток имеет простую структуру (безвихревой) и = и,, = Ц„; V = ур = = \ур = 0; сЗ/4кЗ/2 Т = Т|П; к = кы=|(Ш]п)2 ;е = 6]п=-Ь^- • где I - интенсивность турбулентности (1 = 0.01); Л = 0.07ЭН ; 4 х (200x300) ... Он =—1-- = 480мм для ЦЗУ; н 200+300 м 4х(40х70)=10182мм н 40+70

Выход Поток имеет нулевые производные по нормали к границе от искомых величин. £Ё = 0; — = 0; — = 0 ; СП СП СП — = 0 ; — = 0 ; £ = 0. СП СП СП

В третьей главе содержится описание экспериментальных установок и приведено подробное описание системы сбора и записи информации.

В этой главе описан вычислительный метод конечного объема, который используется для решения уравнений Навье-Стокса с помощью вычислительного алгоритма SIMPLE, основные процедуры метода дискретизации, численная сетка, аппроксимация и метод решения.

В конце главы описаны основные принципы работы с пакетом STAR-CD и рекомендации по построению расчетной сетки.

Общая схема решения поставленной задачи приведена на рисунке 7.

Конец

Рис. 7. Общая схема численного исследования

Важнейший этап проведение расчетов с помощью комплекса программ STAR-CD и системы автоматизированного проектирования - программа So lid Works - представлен на рисунке 8.

На основе заданной геометрии определяются физическое состояние, параметры газа и частиц, турбулентные параметры, краевые условия, № итерации, значения параметров сходимости, и решается система уравнений

1 Г

Результаты расчета сохраняются в файле и tecplot, surfer. Рассчитанные параметры исг золоулс визуализируются с помощью STAR-View, ользуется для определения эффективности >вителя

^ Конец

Рис. 8. Схема численного моделирования в расчетном комплексе

)

В четвертой главе содержится описание результатов экспериментального и численного исследования трехмерного турбулентного течения запыленного газа в золоуловителях (ЦЗУ и ЛЗУ).

Экспериментальная работа проведена на двух экспериментальных установках - ЦЗУ и ЛЗУ.

Для установления адекватности математической модели и работоспособности программного комплекса STAR-CD в работе проведено тестирование и сравнение результатов расчетов с известными в литературе теоретическими и экспериментальными результатами. В частности, на рисунках 9-10 приведено исследование трехмерного турбулентного течения в канале с внезапным сужением. Результаты, приведенные на рисунке 10, свидетельствуют о превосходном согласии рассчитанных и экспериментальных значений скорости.

Рис. 9. Геометрия области для Рис. 10. Сравнение рассчитанной продольной

Ввиду сложности геометрии исследуемых областей, для построения конфигураций расчетных моделей использовался программный комплекс автоматизированного проектирования - программа SolidWorks. Интерфейс между программами SolidWorks и STAR-CD осуществлялась с помощью программ surf и Pro-STAR / amm.

Сравнение численных результатов настоящей работы, полученных с помощью программного комплекса STAR-CD для разных моделей турбулентности, с экспериментальными данными, полученными в различных моделях золоуловителей, приведено на рисунках 11-12. Результаты свидетельствуют как о применимости программного комплекса STAR-CD в численном исследовании особенностей течения в золоуловителях, так и о том, что RNG k-s модель дает более точный результат для рассматриваемого класса турбулентных течений, чем стандартная к-£ модель для больших чисел Рейнольдса [2, 3].

Полученные подробные значения параметров потока (скорости, давления, параметры турбулентности и т.д.) в характерных областях золоуловителей (ЦЗУ и ЛЗУ) и рассчитанные траектории частиц (рис. 13) качественно не противоречат ожидаемой картине течения и послужили для расчета эффективности золоулавливания [1,2].

3D - турбулентного течения (h = 0.041 м)

скорости и экспериментальных данных Kasagi и Matsunaga [1995]

Номер кармана

Рис. 11. Сравнение скорости (и) в ЦЗУ Рис. 12. Сравнение перепада давления

(X = -90, У = 500)

между выходными и входными щелями карманов ЛЗУ

Скорости в ЦЗУ без закручивателей и Траектории частиц в ЦЗУ (с1р= 100 мкм, а= 100 мм (У = 100 мм, X = -300 мм) рр= 2000 кг/м3, Ь = 400 мм и а = 300 мм)

Скорости в кармане ЛЗУ с открытыми щелями (Цп = 4 м/с)

Траектории частиц в ЛЗУ без перегородок (и,п = 4 м/с)

Рис. 13. Скорости и траектории частиц в золоуловителях

Эффективность ЦЗУ для разных высот закручивателей потока и разных высот выхлопных труб приведена на рисунке 14. Эффективность ЦЗУ с 600 мм закручивателями больше, чем эффективность ЦЗУ без закручивателей и с за-кручивателями высотой от 120 мм до 400 мм. Увеличение высот заглублений выхлопных труб также приводит к росту эффективности ЦЗУ. Следовательно, применение закручивателей и увеличение высоты заглублений выхлопных труб повышает эффективность золоулавливания. Для закручивателей высотой больше 400 мм влияние высоты выхлопных труб на эффективность ослабляется [2, ! 3,5,9,11,13].

На рисунке 15 приведены зависимости эффективности ЛЗУ для разных входных скоростей. При этом получено, что эффективность ЛЗУ с открытыми щелями больше, чем эффективность ЛЗУ с закрытыми щелями и без перегородок. Таким образом, рециркуляция части потока через входные и выходные щели, образованные перегородками, играет существенную роль в улавливании частиц. Эффективность ЛЗУ увеличивается с повышением скорости, т.к. траектории движения частиц смещаются к стенкам, что улучшает сепарацию частиц

Рис. 14. Эффективность ЦЗУ для разных Рис. 15. Эффективность ЛЗУ для высот заглубления выхлопных труб разных входных скоростей

Как известно, для повышения общей эффективности ЦЗУ и ЛЗУ необходимо уменьшать коэффициент сопротивления уловителя, т.к. больший перепад давления требует повышенной затраты энергии (энергии потребляемой вентилятором на выходе золоуловителя). Однако повышение эффективности улавливания частиц требует специальной организации аэродинамики потока, приводящей обычно к повышению коэффициента сопротивления ЦЗУ и ЛЗУ. Поэтому для выбора оптимальной конструкции золоуловителя, определяемой общей эффективностью - соотношением между требуемой степенью улавливания и возможными энергозатратами - необходимо сравнивать эти две «интегральные» характеристики устройства. Графики для выборов более экономичных конструкций ЦЗУ и ЛЗУ приведены на рисунках 16-17. Как видно из этих рисунков, для выбора более экономичного золоуловителя необходим учет

эффективности золоулавливания (г|) и соответствующего перепада давления или сопротивления устройства (учет энергозатрат). На рисунках показаны два интервала значений: первый - определяющий возможные энергозатраты (Естш — Ее < Естах)) а второй - определяющий требуемую эффективность золоулавливания (г|т|„ < г) < Г|]11г1х), которым должны удовлетворять значения параметров в реально действующем золоулавливающем аппарате. Оптимальные значения режимных и конструктивных параметров определяются условиями: (Ест|п < Ее < Ес,гах) У (Птт < 1 < Птах).

Рис. 16. График определения экономичности ЦЗУ без закручивателей

Рис. 17. График определения экономичности ПЗУ с открытыми щелями

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации экспериментально и теоретически решена задача расчета параметров трехмерного турбулентного запыленного потока в золоуловителях (центробежный золоуловитель и лабиринтный золоуловитель) при различных режимах работы и разных конструктивных особенностях золоуловителей.

Численное исследование базируется на трехмерных уравнениях Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу с использованием ЯЫв к-е модели турбулентности, а движения частиц в ЦЗУ и ЛЗУ описывается в рамках одночастич-ного приближения в переменных Лагранжа.

Экспериментально полученные данные позволили установить адекватность сформулированной математической модели и подтвердить достоверность полученных результатов математического моделирования. Решение данной задачи имеет существенное значение для проектирования и разработки различных устройств очистки газовых потоков от твердых частиц.

В данном исследовании получены следующие результаты: 1. Разработана математическая модель процессов, протекающих в запыленных турбулентных потоках в золоулавливающих устройствах сложной геометрической формы.

2. Адекватность математической модели и корректность принятых допущений подтверждена сопоставлением полученных численных результатов с данными эксперимента.

3. Эффективность улавливания ЦЗУ и коэффициент аэродинамического сопротивления повышается с увеличением заглубления выхлопных труб и с увеличением высоты закручивателей в ЦЗУ, а рециркуляция части запыленного потока через улавливающие карманы ЛЗУ, образованные перегородками, значительно повышает эффективность ЛЗУ.

4. На основе анализа существенных факторов, влияющих на эффективность золоуловителей, предложена технология результативного многовариантного анализа и выбора оптимальных параметров и режимов работы исследованных золоуловителей.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные автором в ведущих рецензируемых научных

журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Аль-Зампли, А.М.Д. Исследование эффективности улавливания лабиринтного золоуловителя на основе численного моделирования турбулентного течения запыленного потока / Али Мирали Джасим Аль-Замили // Естественные и технические науки. - М., 2011. -№ 4(54). - С. 468^71. 0,25 п.л.

2. Аль-Замили, А.М.Д. Аэродинамическое исследование турбулентного течения запыленного потока в разных типах золоуловителей при различных режимах работы / Али Мирали Джасим Аль-Замили, Ю.А. Алтухов, С.М. Кисляк // В мире научных открытий. - Красноярск, 2011. - № 12 (24). - С. 51-60. 0,625 п.л. (лично автора - 0,21 п.л.).

3. Аль-Замили, А.М.Д. Численное моделирование турбулентного течения в разных типах золоуловителей / Али Мирали Джасим Аль-Замили, Ю.А. Алтухов, С.М. Кисляк // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - Орел, 2011. - № 6/2. - С. 27-35. 0,56 п.л. (лично автора - 0,19 п.л.).

Другие публикации:

4. Аль-Замили, А.М.Д. Численное исследование газово-твердого потока в сепараторе циклона / Али Мирали Джасим Аль-Замили, Ю.А. Алтухов II Материалы по итогам II международной научно-практической конференции иностранных студентов и аспирантов. - Барнаул: АлтГТУ, 2011. - С. 176-180. 0,31 п.л. (лично автора - 0,16 п.л.).

5. Аль-Замили, А.М.Д. Исследование аэродинамики в циклонных золоуловителях на основе численного моделирования трехмерного течения турбулентного запыленного потока / Али Мирали Джасим Аль-Замили, Ю.А. Алтухов, С.М. Кисляк // Современные тенденции химической технологии и теплоэнергетического комплекса (Технологии XXI века): материалы всероссийского инновационного форума. - Бийск: АлтГТУ, 2011. - С. 6-7. 0,125 п.л. (лично автора - 0,04 п.л.).

6. Аль-Замили, А.М.Д. Исследование аэродинамики лабиринтного золоуловителя на основе численного моделирования трехмерного турбулентного

течения запыленного потока / Али Мирали Джасим Аль-Замили, Ю.А. Алтухов, С.М. Кисляк // Наука и молодежь-2011: материалы 8-ой всероссийской научно-технической конференции, Секция «Строительные технологии, материалы». - Барнаул: АлтГТУ, 2011. - 3 с. - http://c<fu.secna.ru/mcdia/f/TGV_ 2011 tez.pdf. 0,19 п.л. (лично автора - 0,06 п.л.).

7. Аль-Замили, А.М.Д. Исследование аэродинамики и разработка конструкции лабиринтного золоуловителя на основе численного моделирования турбулентного течения запыленного потока для различных режимов работы / Али Мирали Джасим Аль-Замили, Ю.А. Алтухов, С.М. Кисляк // VII Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике: сборник докладов. - Кемерово: КузГТУ, 2011. - С. 24-26. 0,19 п.л. (лично автора - 0,06 п.л.).

8. Аль-Замили, А.М.Д. Численное и экспериментальное исследование эффективности лабиринтного золоуловителя / Али Мирали Джасим Аль-Замили, Ю.А. Алтухов, С.М. Кисляк // Наука и техника в современном мире: материалы международной заочной научно-практической конференции. - Новосибирск: Априори, 2011. - С. 7-16. 0,625 п.л. (лично автора - 0,21 п.л.).

9. Аль-Замили, А.М.Д. Исследование эффективности центробежного золоуловителя на основе численного моделирования турбулентного течения запыленного потока / Али Мирали Джасим Аль-Замили, Ю.А. Алтухов, С.М. Кисляк // Наука и современность - 2011: сборник материалов XIII международной научно-практической конференции. - Новосибирск: НГТУ, 2011. - Ч. 2. - С. 170-175. 0,375 п.л. (лично автора - 0,125 п.л.).

10. Аль-Замили, А.М.Д. Аэродинамическое моделирование турбулентного течения запыленного потока в лабиринтном золоуловителе / Али Мирали Джасим Аль-Замили, Ю.А. Алтухов, С.М. Кисляк // Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2011: сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. - Одесса: Черноморье, 2011. - Т.5. - С. 77-82. 0,375 п.л. (лично автора - 0,125 п.л.).

11. Аль-Замили, А.М.Д. Численное моделирование турбулентного течения запыленного потока в центробежном золоуловителе / Али Мирали Джасим Аль-Замили, Ю.А. Алтухов, С.М. Кисляк // Альманах современной науки и образования. - Тамбов, 2011. - №10(53). - С. 38-41. 0,25 п.л. (лично автора- 0,08 п.л.).

12. Аль-Замили, А.М.Д. Моделирование турбулентного запыленного потока в лабиринтном золоуловителе / Али Мирали Джасим Аль-Замили, Ю.А. Алтухов, С.М. Кисляк // Ломоносовские чтения на Алтае: сборник научных статей международной школы-семинара. - Барнаул: АлтГПА, 2011. - 4.1. - С. 182— 188. 0,44 п.л. (лично автора - 0,15 п.л.).

13. Аль-Замили, А.М.Д. Определение аэродинамического сопротивления и эффективности золоулавливания центробежного золоуловителя на основе вычислительного эксперимента / Али Мирали Джасим Аль-Замили // Научное творчество XXI века: сборник статей V международной научно-практической конференции. - Красноярск: Изд. Научно-инновационный центр, 2012. - Т.З. -С. 84-88.0,313 п.л.

THE SUMMARY ALI MEERALI JASIM AL-ZAMILY

Mathematical Simulations and Aerodynamic Analysis of Turbulent Dusty Flow in Ash Collector

Specialties: 05.13.18 - Mathematical modeling, numerical methods and complex programs 01.02.05 - Mechanics of liquid, gas and plasma.

The purpose of the dissertational work has been analyzed numerically and experimentally the aerodynamics of three dimensional, unsteady turbulent dusty flow (air and solid particles) in two different types of ash collectors (centrifugal ash collector (CAC) and labyrinthine ash collector (LAC)) with different structures at different operation conditions and evaluated the effectiveness of ash collectors in order to develop recommendations for choosing optimal design of ash collector (that having a higher effectiveness for appropriate pressure drop).

The present study consists of two parts: experimental part and theoretical part (numerical).

Experimental study is based on two different designs of ash collector's rigs (CAC and LAC).

The numerical study is based on finite volume method with SIMPLE algorithm.

Governing equations (continuity, momentum, and energy) for three-dimensional unsteady turbulent dusty flow (based on Unsteady, Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS)) inside CAC and LAC solved numerically by using Computational Fluid Dynamic (CFD) (complex program STAR-CD).

In the present study investigates two different turbulence models: the Standard k-E model for high Reynolds numbers and the RNG k-e model.

Particles movement and trajectory in CAC and LAC are described by using Lagrangian model. The equations of particles movement are solved numerically by using Runge-Kutta method.

With the help of CAD software - SolidWorks, the geometries of ash collector, have been constructed and exported to commercial Computational Fluid Dynamic (CFD) solver -STAR-CD.

In this study presented recommendations for constructing appropriate meshes in order to reduce the computational time, and the numerical results are not dependent on number of control volumes.

In order to check the accuracy of the present numerical techniques, numerical results were compared with others results given in the literatures and with experimental results of the present study.

The work goal has been achieved, and the applied technique of this investigation (captured the particles in different types of ash collectors (CAC and LAC)) demonstrate it's efficiency and can be used to design and develop various types of ash collectors in order to improve their effectiveness when chose appropriate model of turbulence associated with the flow structure in the ash collectors.

The experimental and numerical results of the dissertational work can be used as a guide for designing efficient ash collectors (CAC and LAC) by comprising optimum range between ash trap effectiveness and economical operation cost (pressure drop through ash collectors).

Подписано в печать 07.03.2012. Формат 60x84 1/16. Печать - цифровая. Усл.п.л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 2012-66

Отпечатано в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46 тел.: (8-3852) 29-09-48

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД №28-35 от 15.07.97 г.

61 12-1/1042

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

На правах рукописи

Аль-Замили Али Мирали Джасим (ALI MEERALI JASIM AL-ZAMILY)

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ ЗАПЫЛЕННОГО ПОТОКА

В ЗОЛОУЛОВИТЕЛЯХ

Специальности:

05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы, комплексы программ 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор Алтухов Ю.А.

Барнаул - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4 Глава 1. Обзор литературы, состояние проблемы и выбор направления

исследования 16

1.1. Эффективность золоуловителя 17

1.2. Подходы для математического описания многофазного потока 20

1.3. Выбор модели турбулентности 23

1.4. Перепад давления 25

1.5. Вывод 26 Глава 2. Математическая модель процесса 33

2.1. Уравнения течения газа 33

2.2. Уравнения Навье-Стокса, осредненные по Рейнольдсу 36

2.3. Описание и выбор моделей турбулентности 3 8

2.3.1. Стандартная к-е модель турбулентности для больших чисел Рейнольдса 39

2.3.2. И^Ю к - е модель турбулентности 40

2.3.3. Оценка моделей турбулентности и выводы 47 2.4 Движение частиц в турбулентном потоке и подход Лагранжа 48 2.5. Эффективность улавливания и гидравлическое сопротивление

золоуловителя 54

Глава 3. Экспериментальные установки и численное моделирование 56

3.1. Описание экспериментальной установки 5 6

3.1.1. Центробежный золоуловитель (ЦЗУ) 5 6

3.1.2. Лабиринтный золоуловитель (ЛЗУ) 60

3.2. Численное моделирование (метод конечного объема) 64

3.2.1. Дискретизация конвективного члена 67

3.2.2. Дискретизация диффузионного члена 67

3.2.3. Дискретизация источникового члена 68

3.2.4. Дискретизация временного члена 69

3.2.5. Методы интерполяции 70

3.2.6. Окончательные FV уравнения 72

3.2.7. Алгоритмы решения 73 3.3. Программные пакеты вычислительной гидрогазодинамики 77

3.3.1. Основные положения при работе с пакетом STAR-CD 77

3.3.2. Создание сетки в пакете STAR-CD 78 Глава 4. Результаты исследования и их обсуждение 85

4.1. Экспериментальное исследование 85

4.1.1. Аэродинамика потока в ЦЗУ 8 5

4.1.2. Аэродинамика потока в ЛЗУ 8 8

4.2. Тестирование результатов численного моделирования 90

4.2.1. Проверка математической модели и численного алгоритма сравнением с экспериментальными результатами 90

4.2.2. Проверка моделей турбулентности 95

4.3. Построение расчетных сеток 97

4.4. Численное исследование запыленного потока в ЦЗУ 99

4.5. Численное исследование запыленного потока в ЛЗУ 110

4.6. Эрозия в ЦЗУ и ЛЗУ 124 Заключение 127 Список литературы 129

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность рассматриваемой проблемы. С ухудшением экологической ситуации в мире - по данным ООН ежегодно в атмосферу выбрасывается около 2.5 млн. т пыли - проблема загрязнения атмосферного воздуха от техногенных промышленных выбросов стала важным критерием при выборе различных вариантов технологических процессов и соответствующего оборудования

[17].

В связи с возрастающими энергетическими потребностями и высокой степенью зависимости производства энергии от ископаемого топлива - по прогнозам министерства природных ресурсов РФ с 2030 г. первенство в топливно-энергетическом балансе в России займут уголь и атомная энергетика - несомненна актуальность конструктивного и технологического совершенствования пылеочистного и золоочистного оборудования [120].

Развитие теплоэнергетики в России за последние годы претерпело ряд существенных изменений. Стремление России в мировое экономическое сообщество выдвинуло в качестве одной из важнейших проблем отечественной теплоэнергетики улучшение экологических показателей теплогенерирующих установок [44].

Одной из важных проблем борьбы с загрязнением окружающей среды являются контроль над выбросами твердых примесей (зола, дым и несгоревшие мельчайшие частицы топлива (унос)) в атмосферу. Поэтому дымовые газы перед выбросом их в атмосферу необходимо очищать от золы и уноса в специальных устройствах - золоуловителях, которыми оборудуются почти все современные котельные, работающие на твердом топливе.

Горение угля при такой технологии характеризуется высокими температурами. При этом возникают проблемы с образованием окислов азота, а технологии их подавления достаточно дороги [32].

В большой энергетике твердое топливо сжигается в основном в золо-угольных котлах. Для снижения запыленности среды золой используют процессы улавливания золы в местах ее выделения и скопления с последующей очисткой запыленного воздуха в золоулавливающих аппаратах.

Золоуловители и циклоны стали важнейшими устройствами удаления частиц в таких областях как производство электро- и тепловой энергии на угольных ТЭЦ, мусоросжигательные заводы, черная металлургия, цементные заводы, коксовые батареи, пищевая промышленность и т.д.

В настоящее время существует большое количество различных типов устройств. Проектирование и усовершенствование золоуловителей и циклонов проводится постоянно, начиная со времени их изобретения. И сейчас предпринимается много попыток повысить эффективность золоуловителей и циклонов, изменяя их форму с точки зрения соотношения различных ключевых параметров.

Золоуловители с тангенциальным входом являются самыми популярными [39], при этом газ и твердые частицы поступают через тангенциальное входное отверстие в верхнюю часть золоуловителя. В золоуловителе с тангенциальным подводом воздуха процесс извлечения твердой фазы из газовой среды происходит следующим образом. Подлежащий очистке воздух (или иной газ) движется по окружностям вокруг оси золоуловителя. Твердые частицы более высокой плотности, чем газ, под действием центробежной силы инерции смещаются к внешней стенке золоуловителя. Центробежное ускорение в золоуловителе во много раз больше ускорения свободного падения. Вследствие этого даже весьма маленькие частицы золы не в состоянии следовать за линиями тока газов и под влиянием центробежной силы выносятся к стенке. При рассмотрении центробежного эффекта при сепарировании будем считать уловленными частицами достигшие внешней (наружной) стенки золоуловителя или, если золоуловитель разделен на секции с криволинейными каналами, внешней стенки секции.

Золоуловитель для котлов на древесных отходах в большинстве случаев представляют собой блок основных вертикальных золоуловителей и предназначены для сухой инерционной очистки газов от летучей золы [23].

Существуют и горизонтальные золоуловителя, предназначенные для сухой инерционной очистки газов. В этом случае золоуловители более компактны, но при этом коэффициент осаждения золы в них меньше, чем у вертикальных золоуловителей. Горизонтальные золоуловителя обладают меньшим сопротивлением, поэтому они применяются обычно в котельных установках, работающих на "самотяге" (неукомплектованные дымососом).

С технической точки зрения эксплуатационные качества золоуловителя определяются эффективностью золоулавливания и падением давления по тракту золоуловителя. Эффективность работы золоуловителей в существенной степени зависит и от физико-химических свойств золы и поступающих в золоуловители газов.

Золоулавливающее оборудование в зависимости от способа отделения золы от воздушного потока бывает 2-х видов [26]:

- оборудование для улавливания золы сухим способом, при котором отделенные от воздуха частицы золы осаждаются на сухую поверхность;

- оборудование для улавливания золы мокрым способом, при котором отделение частиц от воздушного потока осуществляется с использованием жидкостей.

Технические, экономические и технологические разработки, направленные на повышение эффективности золоуловителя, невозможны без изучения гидродинамических особенностей процесса улавливания частиц и их движения во вращающемся потоке газа. Существующие математические модели движения диспергированных в газовом потоке твердых частиц позволяют оценить эффективность золоуловителя и выявить влияющие на нее факторы.

Поток в золоуловителе имеет достаточно сложную структуру, что связано

с турбулентностью, наличием твердых включений, трехмерностью и, в общем

6

случае, нестационарностью. Вычислительная гидрогазодинамика (CFD), наряду с экспериментальными методами изучения возникающих проблем, может достаточно точно смоделировать турбулентные потоки, реализующиеся в газоочистных устройствах. Требуемая точность моделирования в известных работах достигалась использованием достаточно полных математических моделей, описывающих течения запыленного потока в различных устройствах, и надежных алгоритмов численного исследования сформулированных задач.

Теоретические и экспериментальные исследования циклонов и золоуловителей начались в 19 веке [23, 125]. За полтора века «циклоностроения» техника газоочистки использовала множество вариантов конструкций циклонов и золоуловителей. В 1886 году О.М. Meursault получил патент на циклон, который был изобретен гораздо раньше [113].

Эффективность улавливания считается основной характеристикой золоуловителей, поэтому большинство исследований связано с определением эффективности золоуловителей и определения путей её повышения.

Первые исследования [115, 53, 124, 92, 56, 66, 111] эффективности улавливания и её повышения основаны на простых теоретических и экспериментальных фактах. При этом чтобы найти оптимальные параметры золоуловителя в экспериментальном исследовании, необходимы дорогостоящие процедуры, причем экспериментальные исследования оказываются справедливыми только для определенного диапазона условий эксплуатации и геометрических соотношений.

Последние достижения в области компьютерной техники, появление программных комплексов и технологии параллельных вычислений сделали возможным использование методов вычислительной гидрогазодинамики (CFD) для предсказания характеристик потока и распределения частиц внутри золоуловителя [77].

Вычислительная гидрогазодинамика (CFD) обеспечивает экономичный

способ описания достаточно сложного поведения запыленного потока и учета

7

влияние на него конструктивных особенностей и условий эксплуатации устройств.

Одним из первых применений СБЭ моделирования для описания эффективности улавливания было выполнено Воуэап и др. [57]. После этой новаторской работы в других исследованиях изучалось влияние турбулентности потока [113, 89, 59, 105, 125, 79], структуры формирующегося потока [60, 128, 58, 51, 54, 101, 24], траекторий частиц [97, 49, 61, 65, 62] и перепада давления [137, 76, 116] на эффективность улавливания.

Для лучшего понимания процессов золоулавливания в некоторых случаях необходимо учитывать не только параметры потока (скорость, давление, турбулентная модель и т.д.) и параметры конфигурации золоуловителя, но и, например, влияние формы частиц на эффективность улавливания [19, 83].

Для математического описания движения частиц и расчета эффективности золоуловителей обычно используются 2 подхода: Эйлера-Эйлера и Эйлера-Лагранжа. Описание в рамках подхода Эйлера-Эйлера для расчета движения несущего потока, частиц и вычисления эффективности улавливания сравнительно сложно [97, 104] ив настоящее время используется довольно редко. Подход Эйлера-Лагранжа оказался более востребованным для описания движения частиц в циклонах и золоуловителях, чем подход Эйлера-Эйлера [94], и успешно использовался во многих исследователях [56, 57, 118, 63, 128, 61, 85, 88, 107, 59, 62, 73, 105, 55, 79, 3-15].

Многие исследования [81, 102, 113, 89, 59, 105, 125, 73, 79] подтверждают, что одним из важных аспектов моделирования СБО являются модели турбулентности, которые существенно влияют на результаты моделирования.

Влияние скорости потока на эффективность улавливания изучены вычислительно и экспериментально в [75, 76, 129, 3, 4].

Влияние перепада давления на эффективность улавливания частиц в золоулавливающих устройствах изучено экспериментально и численно в [115, 137, 48, 76, 116].

Влияние массовой загрузки и размеров частиц на эффективность улавливания исследованы в [137, 90, 82, 83, 75, 63, 61, 127]. Детальное исследование процессов эрозии стенок и связь с эффективностью улавливания проведено в [86,136, 100, 128].

Большинство исследователей считали, что геометрическая конфигурация золоуловителя или циклона является самым важным аспектом, влияющим на эффективность улавливания золоуловителя, которая чувствительна к небольшим геометрическим изменениям [83, 130, 117, 70, 95, 80, 30, 73, 96]. Antonio [51] рассчитал эффективность улавливания, соединенных последовательно, чтобы уменьшить выбросы частиц.

Практическое использование математических моделей, численных методов, соответствующего программного обеспечения и экспериментальных модельных установок позволило бы существенно повысить точность и эффективность проектирования промышленных золоулавливающих установок.

В данной работе разработан расчетно-моделирующий комплекс, состоящий из нескольких взаимосвязанных частей, каждая из которых состоит из специализированного программного обеспечения.

В настоящей работе изучались процессы в двух моделях золоуловителей.

Первая модель - это центробежный золоуловитель (ЦЗУ) с тангенциальным входом (НИЦ ПО « Бийскэнергомаш»), который использует непосредственно после котельных установок для грубых частиц, при этом основными силами, влияющими на очистку потока, являются центробежная сила и сила тяжести.

Вторая модель - это лабиринтный золоуловитель (ЛЗУ). Эта модель используется для более мелких частиц и устанавливается обычно после ЦЗУ [41].

В настоящее время отсутствуют рекомендации по повышению эффективности ЛЗУ и ЦЗУ, основанные на результатах численного исследования трехмерных турбулентных течений [3]. В данной работа изучается аэродинамика и

особенности течений в модельных устройствах на основе экспериментальных методов и вычислительного эксперимента.

Цель работы заключается в разработке численно-экспериментальной методики изучения турбулентного течения запыленного газового потока и расчете эффективности 2-х разных типов золоуловителей - центробежный золоуловитель (ЦЗУ) и лабиринтный золоуловитель (ЛЗУ) - с различными конструктивными особенностями при различных режимах работы, а также в выработке рекомендаций, определяющих оптимальные параметры золоуловителя, обеспечивающие более высокую степень очистки потока от дисперсной фазы.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

В теоретической части работы:

1. Изучены и сформулированы уравнения для потока и движения частиц в золоуловителях, выбрана математическая модель турбулентности газа в золоуловителях и сформулированы краевые условия для газа, твердых частиц и параметров турбулентности.

2. Построены конфигурации расчетных моделей с помощью система автоматизированного проектирования - программа SolidWorks - и адаптирован метод конечного объема и SIMPLE алгоритм (комплекс программ - STAR-CD) для решения трехмерных уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу.

3. Разработан алгоритм многовариантного анализа и выбора оптимальных геометрических и режимных параметров золоуловителей, проведено численное исследование и сравнение полученных результатов с экспериментальными результатами.

4. Исследованы разные типы золоуловителей при различных режимах работы, определена эффективность и предложены рекомендации по выбору оптимальных конструкций золоуловителей.

В экспериментальной части работы, исследованы различные режимы

течения запыленного газового потока в 2-х модельных экспериментальных

10

установках - получены поля скорости, давления и степени улавливания дисперсной фазы, и проведен расчет эффективности улавливания частиц. Эффективность улавливания частиц определялась весовым методом с помощью ситового анализа.

Объектом исследования является течение запыленного газового потока в золоуловителях.

Предметом исследования являются математическое моделирование течения запыленных газовых потоков и исследование аэродинамики турбулентного течения в разных типах золоуловителей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы численного решения дифференциальных уравнений в частных производных и систем нелинейных дифференциальных уравнений. Для проведения вычислительных экспериментов использовались программные пакеты с открытым программным кодом. Аэродинамические параметры потока определялись экспериментально на модельных устройствах.

Научная новизна. Разработана математическая модель процессов, протекающих в запыленных турбулизованных потоках в золоулавливающих устройствах сложной геометрической формы. Предложена вычислительная технология исследования процессов массопереноса в турбулизова