Повышение эффективности трубчатых аппаратов на основе численного моделирования турбулентных течений в их проточной части

• Автор: Ильина, Ида Малиховна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 131 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Турбулизация потока в трубчатых аппаратах как способ
повышения их эффективности
1.1. Схемы турбулизаторов и их эффективность
1.2. Турбулизация потока в каналах типа диффузор-конфузор
1.3. Роль отрывной зоны в турбулизации потока в трубах
1.4. Сравнение экспериментального, теоретического и численного подходов для решения задач гидродинамики
1.5. Численное моделирование турбулентных течений с помощью
пакета PHOENICS
1.6. Методы численного решения задач математической физики
1.7. Исследование трубчатых турбулентных реакторов диффузор-конфузорного типа
Глава 2. Система уравнений гидродинамики вязких несжимаемых
жидкостей
2.1. Дифференциальные уравнения движения вязкой несжимаемой жидкости (Навье-Стокса)
2.2. Граничные условия для уравнений Навье-Стокса
2.3. Система уравнений турбулентного движения вязкой несжимаемой жидкости
2.4. Уравнения для расчета давления
Глава 3. Разработка метода решения краевых задач для уравнений
Навье-Стокса
3.1. Обоснование целесообразности разработки
3.2. Об одном подходе к решению уравнений гидродинамики
3.3. Численное моделирование течений несжимаемой вязкой жидкости
в каналах прямоугольного поперечного сечения на основе п.3.
3.4. Содержание программы CANAL
3.5. Обсуждение результатов
Глава 4. Численное решение задач о турбулентном течении вязкой
несжимаемой жидкости в осесимметричных каналах
4.1. Выбор метода решения краевых задач
4.2. Алгоритм и программа расчета осесимметричных турбулентных течений вязкой несжимаемой жидкости
4.3. Настройка программного комплекса CANAL4s(5s)
4.4. Тестирование программы
Глава 5. Исследование влияния геометрической формы элементов трубчатого
реактора диффузор-конфузорного типа (ТРДКТ) на характеристики
турбулентности
Заключение
Список использованной литературы
Приложение
Введение
Актуальность темы. При осуществлении некоторых технологических процессов в химической промышленности в последние годы широкое применение находят малогабаритные трубчатые аппараты диффузор-конфузорного типа. В зависимости от принятой технологической схемы, эти аппараты выполняют роль предреактора, либо основного реактора. Назначение предреактора — предварительная подготовка рабочей смеси перед поступлением ее в основной реактор. В целом ряде случаев трубчатый аппарат может быть использован и в качестве основного реактора (при применении его для организации смешения при быстропротекающих химических процессах). Одним из достоинств малогабаритных трубчатых аппаратов является обеспечение безопасности при работе с высокотоксичными и взрывоопасными веществами.Характерные размеры аппаратов: наибольший диаметр около 0,08м; наибольшая длина около 1,00 м. Длина секции ~ 0,27м и диаметр входа ~
0.05.. Общий объем аппарата около 0,04м3. Уровень скорости рабочего тела на входе около 10 +15 м/с. Однако исследованы эти аппараты пока еще недостаточно. Значительный шаг в понимании особенностей, происходящих в них процессов, сделан в работах кафедры процессов и аппаратов химической технологии Казанского государственного технологического университета. Данная диссертационная работа продолжает эти исследования.
Диссертационная работа выполнена в рамках государственных программ:
1. Грант Президента РФ № 96-15-97179 по теме «Моделирование процессов полимеризации при производстве синтетических каучуков».
2. Программа 05 ГКНТ 12 «Разработка методов моделирования и расчета принципиально новых малогабаритных реакторов для осуществления быстрых химических реакций, эффективной теплопередачи и массообмена в турбулентных потоках с проведением опытных и промышленных испытаний».
3. Программа Республики Татарстан по развитию приоритетных направлений науки по теме № 19-12/99 (Ф) «Научные основы технологических процессов производства синтетических каучуков на предприятиях нефтехимического комплекса Республики Татарстан».
4. Программа Республики Татарстан по развитию приоритетных направлений науки по теме № 07-7.5 - 27/2001 (Ф) «Ресурсосберегающие и экологически безопасные трубчатые аппараты и технологические процессы для нефтехимической промышленности».
Целью работы является выбор формы проточной части трубчатого аппарата, направленный на повышение его эффективности с помощью численного моделирования турбулентных течений в рабочем канале. Конкретными задачами исследования являлись:
1. Исследование гидродинамических процессов в малогабаритных трубчатых реакторах диффузор-конфузорного типа.
2. Описание турбулентного течения в прточной части трубчатого аппарата с помощью уравнений гидродинамики на основе стандартной к - £ модели.
3. Разработать специализированный программный комплекс, позволяющий моделировать движение потока в каналах трубчатых аппаратах диффузор-конфузорной конструкции.
4. Исследование эффективности аппаратов с образующими различной формы и выявление наиболее эффективной формы канала, обеспечивающая наибольшую турбулизацию потока.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1. Разработан эффективный численный алгоритм решения системы уравнений турбулентного движения рабочего тела в проточной части аппарата и программа, позволяющие существенно сократить объем вычислительной работы.
2. С помощью разработанного программного комплекса исследовано турбулентное течение в каналах с числом секций от 1-й до 20. В известных работах такие исследования проводились с числом секций, не превышающим 6.
В результате проведенных исследований были получены оптимальные соотношения между основными геометрическими размерами: П = 1,6с1 , 1=1,70.
Отмечается, что эти значения мало изменяются при углах наклона образующей в области горловин аппарата в пределах 30° < а < 85°.
Отметим, что при внимательном рассмотрении рис. 1.14. можно заметить отсутствие симметрии поля скоростей в районе горловины, что является нефизичным для осесимметричного осредненного движения.
Подводя итог обзору информации о состоянии исследований турбулентных течений в малогабаритных трубчатых аппаратах, можно сделать следующие выводы:
1. Турбулизация потока в малогабаритных трубчатых аппаратах является эффективным средством интенсификации процессов, происходящих в нем.
2. Современные средства экспериментального исследования гидродинамических, теплофизических и массообменных процессов в малогабаритных аппаратах не могут решить все проблемы исследования этих процессов.
3. С помощью созданных к настоящему времени вычислительных методов и средств можно с достаточно высокой степенью достоверности определить все основные свойства таких аппаратов.
4. Задача разработки новых вычислительных алгоритмов, позволяющих сократить объемы вычислений, не утратила своей актуальности.
5. Малогабаритные трубчатые турбулентные аппараты, используемые в химической технологии, исследованы недостаточно в смысле влияния формы турбулизаторов на их характеристики.
Приведенные выводы позволили сформулировать тему диссертации, ее научную и практическую направленность.