Пульсирующие газовые потоки и их взаимодействие с поверхностями

• Автор: Сизов, Михаил Анатольевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 84 с. : 75 ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
Преимущества использования пульсирующего дутья в металлургическом производстве
Методы создания пульсаций в струе
Взаимодействие газовых струи с поверхностью жидкости
Формулировка целей и задач диссертационной работы
Положения, выносимые на защиту
1. Математическая постановка и методы решения задачи о течении в соплах, каналах и струях
1.1. Система уравнений, описывающих течения в соплах, каналах и стрз'ях
1.2. Граничные условия
1.3. Численные методы решения
2. Моделирование газомеханических систем
2.1. Постановка задачи
2.2. Система уравнений квазиодномерной модели
2.3. Граничные условия
2.4. Численный алгоритм
2.5. Расчет распада разрыва
2.6. Векторизованные структуры
2.7. Результаты моделирования
3. Задача о взаимодействии струи с поверхностью тяжелой жидкости
3.1. О методе расчета взаимодействия струи с поверхностью жидкости
3.2. Моделирование задачи в среде пакета Fluent
3.3. О применении пакетов дня моделирования газодинамических задач
4. Моделирование нестационарных двухмерных внутренних течений
4.1. Моделирование течений вязкой несжимаемой жидкости
4.2. Применение пакета ANSYS 5.6 для расчета течения в ковше установки циркуляционного вакуумирования
4.3. Применение пакета ANSYS 5.6 для расчета течения в колене установки циркуляционного вакуумирования
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Литература
Приложение 1. Современные CAE-пакеты для решения газодинамических задач
Пульсирующие газовые потоки и их взаимодействие с поверхностями

ВВЕДЕНИЕ
Функционирование любого технического устройства сопровождается протеканием процессов различной природы. Газодинамические процессы играют существенную, а часто и основную, роль в производстве. Большинство этих процессов носят нестационарный, пульсирующий характер. Пульсационные явления в той или иной степени присущи всем газодинамическим процессам. Невозможно создать газовый поток с неизменными параметрами - всегда будут присутствовать флуктуации параметров потока. В большинстве случаев эти флуктуации невелики и не представляют интереса для исследователей и лишь излишне усложняют описание газодинамического процесса, поэтому принимается гипотеза о постоянстве параметров потока. Очень часто эти пульсации нежелательны, с ними пытаются всячески бороться. Течение пытаются сделать как можно более стационарным. В данной работе рассматривается класс течений, где неустойчивый, пульсационый характер потока имеет принципиальное значение, а возможность анализа и управления параметрами таких потоков приводит к ранее недостижимым возможностям, дающим качественно новые технологические качества. В последнее время (начиная с 80х годов 20 века) стали появляться работы, посвященные возможному применению существенно нестационарных газовых потоков и струй для решения технологических задач. Большинство таких работ носило либо теоретический, либо экспериментальный характер. Работ, посвященных численному моделированию пульсирующих течений и струй, особенно применительно к промышленным задачам, практически нет. В данной работе предпринимается попытка осветить некоторые вопросы численного решения задач подобного рода.
В рамках диссертационной работы исследуется несколько родственных в газодинамическом смысле процессов импульсного и импульсно-периодического действия. Ставится ряд задач, в частности, задача о пульсирующем течении в сопле Лаваля и делается попытка моделирования газомеханических систем, базирующихся на таком течении. Такие системы применяются в металлругическом производстве, в автомобильной технике (впускные и выпускные тракты двигателей внутреннего сгорания). Другая задача связана с взаимодействием пульсирующей струи газа с поверхностью жидкости. Такие задачи характерны для множества технологических процессов в металлругическом и химическом производстве. Также исследуются задача внутренних периодичесих течений.
Таким образом, имеется широкий круг мультифизичных, нестационарных задач, связанных с моделированием процессов в различных технологических установках. Рассмотрению ряда таких задач посвящена данная диссертационная работа. Хотя работа носит общий характер, методы, использованные для решения задача при написании данной работы могут быть использованы для описания различных технологических процессов в ряде отраслей промышленности. В качестве основного круга задач были выбраны задачи, характерные для металлургического производства.
Рассмотрим на примере типичного металлургического процесса где применяются существенно нестационарные (пульсирующие) газовые потоки. На рисунке 1 представлена схема процесса вакуумного обезуглероживания (процесс УОБ).
Пульсирующие газовые потоки и их взаимодействие с поверхностями

Рис. 1. Схема процесса УОО (1 - вакуумная камера,
2 - ковш с металлом, 3 - донная фурма для продувки аргоном, 4 - верхняя фурма для продувки кислородом, 5 - колено для создания вакуума в камере.
Рассмотрим подробнее какие преимущества дает использование пульсирующих газовых потоков в металлургии.
Преимущества использования пульсирующего дутья в металлургическом производстве.
Физико-химические особенности и технологические возможности современных процессов активно исследовались [14],[13] лабораторными методами с применением плавки металла во взвешенном состоянии, электрокапиллярными методами, плавкой в тигле, исследованиями образцов металла и шлака, отобранных из "реакционной зоны"полупромышленной агрегата на рентгеновском и лазерном микрозондах и др. Полученные результаты показали, что эффективным способом интенсификации и управления процессами массопередачи с химическими реакциями, протекающими в ванне и на межфазных границах металл-газ и металл-шлак является продувка сталеплавильной ванны нестационарными (пульсирующими) газовыми струями. В основе применения продувки ванны нестационарными газовыми струями лежит концепция о том, что ряд процессов, протекающих в сталеплавильной ванне при продувке, можно ускорить или изменить их течение в желательном направлении, применив для продувки металла один из вариантов нестационарного дутья
Пульсирующие газовые потоки и их взаимодействие с поверхностями

стве, то интегральная форма закона сохранения массы будет иметь вид:
— J р(1У = — £ ру пйБ (2.1)

Приняв в качестве рассматриваемого объема расчетную ячейку, помеченную индексом г, ограниченную в продольном направлении сечениями £;_х/2 и Sj.fl/2 и имеющую боковую поверхность , перепишем уравнение (2.1) в виде
~ JрёУ = — J ри(15+ I ри<13 + J pvndS (2.2)
К 51+1/2 -4-1/2
При использовании квазиодномерного подхода возникает вопрос о представлении входящих в балансовые соотношения интегралов через некоторым образом осредненные по объему и по поверхности газодинамические величины. Введем следующие осреднения:
д = IV (2.3)

(ри)г-1/2 = J Ри (2‘4)
£«-1/2
(РИ)ш/2 = “ J Р(2-5)
Последний интеграл в выражении (2.2) представляет поток массы через боковую поверхность ячейки в результате организованного вдува рабочего тела. Будем полагать эту величину заданной и введем для нее обозначение
0{ = 1руп(13. (2.6)

Объем рассматриваемой ячейки может быть представлен элементом усеченного конуса, что обеспечивает второй порядок аппроксимации геометрических элементов модели для осесимметричных конструкций:
Ц — ** &г-1/2){я<+1/2 ~ г-Х/з)- (2-7)
Используя введенные осреднения, запишем разностный аналог балансового соотношения (2.1), который будет представлять уравнение сохранения массы в строящейся разностной схеме. При этом будем строить явные по времени аппроксимации при которых интегралы по поверхности оцениваются через параметры на нижнем временном слое. Заметим, что такой подход обеспечивает первый порядок аппроксимации по времени.
РГ1 = [Ми/2 Ян/2 - (НГ-1/2 5|_1/а] + (2.8)
Уравнение для продольной компоненты импульса.