Моделирование турбулентного закрученного течения и процессов разделения тонкодисперсных порошков в пневматических центробежных аппаратах

• Автор: Чепель, Антон Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 130 с. : ил.

АННОТАЦИЯ
Диссертация изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, библиография включает 143 наименования.
Ключевые слова: ВОЗДУШНО-ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ
КЛАССИФИКАТОР, ТУРБУЛЕНТНОЕ ЗАКРУЧЕННОЕ ТЕЧЕНИЕ, ОСЕСИММЕТРИЧНЫЕ ПОТОКИ, ТЕЧЕНИЕ МЕЖДУ
ВРАЩАЮЩИМИСЯ ДИСКАМИ, ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ОРТОГОНАЛЬНАЯ БИКОНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КООРДИНАТ, ДВУХПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТУРБУЛЕНТНОСТИ,
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ТЕЧЕНИЯ, ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ, ДВУХФАЗНОЕ ТЕЧЕНИЕ, ТВЕРДЫЕ ЧАСТИЦЫ, ОБРАТНОЕ ВЛИЯНИЕ.
Настоящая работа посвящена разработке численных моделей и инженерных методов для расчёта двухфазного турбулентного закрученного течения в сепарационной зоне воздушно-центробежного классификатора и процессов фракционного разделения порошков в центробежных аппаратах.
Во введении показана актуальность и проблемы моделирования аэродинамики и процессов классификации и сепарации тонкодисперсных материалов в закрученных турбулентных течениях однофазных и двухфазных сред применительно к центробежным аппаратам порошковой технологии. Обоснован выбор темы диссертационной работы, сформулированы цели исследования и основные новые положения, которые автор защищает.
В первой главе даётся обзор состояния аэродинамики закрученных турбулентных течений однофазных и двухфазных сред и успехов в численном моделировании процессов сепарации и классификации в пневматических центробежных аппаратах.
Вторая глава посвящена моделированию осесимметричного закрученного течения в рабочей области воздушно-центробежного классификатора и сепаратора с биконическими тарелками. В начале раздела

даётся описание экспериментальной установки воздушно-центробежного классификатора (ВЦК), в которой рассмотрены различные варианты сепарационных рабочих элементов, непосредственно в которых собственно и происходит процесс фракционного разделения тонкодисперсных порошков материалов. Эксплуатация воздушно-центробежных классификаторов и биконических, тарельчатых сепараторов происходит при турбулентном режиме течения. Поэтому исследование аэродинамики названных аппаратов проводится при турбулентном режиме течения. На основе методологии Рейнольдса даётся вывод уравнений переноса импульса для турбулентного течения среды в цилиндрической системе координат. Для исследования течения в сепарационной зоне тарельчатого сепаратора использовалась ортогональная биконическая система координат. На основе этой системы координат по методологии Рейнольдса впервые выведены полные осреднённые уравнения Навье-Стокса, что с методической точки зрения является важным. Уравнения Рейнольдса являются незамкнутыми, вследствие наличия неизвестных компонент тензора турбулентных напряжений. Замыкание этих уравнений проводится на основе концепции турбулентной вязкости с использованием обобщённой модели Буссинеска, которая предполагает, что тензор напряжений пропорционален тензору скоростей деформаций, с точностью до неизвестной скалярной функции, называемой вихревой, турбулентной вязкостью, которая в свою очередь определяется с помощью модели турбулентности. Для определения турбулентной вязкости используется известная двухпараметрическая к-ю модель турбулентности Уилкокса. Для биконической ортогональной системы координат были получены уравнения переноса турбулентных напряжений, на основе которых получено уравнение переноса для кинетической энергии пульсационного движения, что позволило корректно записать хорошо известную модель турбулентности к - ю Уилкокса в данной системе координат.
В третьей главе рассматриваются методы численного решения

полученных уравнений и результаты расчётов турбулентного закрученного течения однофазного потока в пневматических центробежных аппаратах. Достоверность работы определялась тестовыми исследованиями на сеточную и итерационную сходимость, а также сравнением полученных численных решений с экспериментальными данными. Получены поля осреднённой скорости и другие турбулентные характеристики между вращающимися конусами (биконическими тарелками), а также в сепарационной зоне воздушно-центробежного классификатора. Выявлено влияние основных режимных и геометрических параметров на турбулентное закрученное течение в сепарационных зонах пневматических центробежных аппаратов.
В четвертой главе рассматривается моделирование двухфазного закрученного турбулентного течения и процессов фракционного разделения тонкодисперсных порошков по размерам. Проведено численное моделирование двухфазного турбулентного потока, определены поля скоростей и концентраций твёрдой фазы, а также определены траектории движения частиц. Исследовано обратное силовое влияние твёрдой фазы на поле скорости несущей среды. Показано влияние турбулентной диффузии на миграцию частиц в зоне сепарации. На основе проведённого математического моделирования двухфазного турбулентного закрученного течения разработаны три инженерные методики для расчёта процесса разделения порошкообразных материалов, т.е. определение кривой разделения Тромпа и граничного размера процесса разделения в пневматических аппаратах центробежного типа.
В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы.

Рис.1. Экспериментальная установка.
работающему в режиме отсоса, или к водокольцевому вакуум-насосу ВВН-3. Пульт управления 16 двухканальный для однотипных двигателей постоянного тока обеспечивает регулирование и стабилизацию скорости вращения шнека дозатора и ротора ВЦК в диапазоне 20-600 1/с. Скорость вращения ротора дополнительно контролируется тахометром 17 типа ИО-ЗО. Расход воздуха измеряется по методике Никурадзе /60/ и регистрируется дифференциальными манометрами 18, 19. Для определения окружной составляющей скорости воздушного потока в зону сепарации введен цилиндрический датчик 20, подсоединенный к дифференциальному наклонному манометру 21, типа ММН-3 и манометру статического давления 22. Ротор ВЦК снабжен сменными верхними дисками 4 и дополнительными