WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Пикущак Елизавета Владимировна Моделирование седиментации частиц полидисперсной суспензии в классификационных аппаратах 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск – 2009 2

Работа выполнена на кафедре математической физики Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Томский государственный университет»

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент Миньков Леонид Леонидович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Воеводин Анатолий Федорович, доктор физико-математических наук, профессор Глазунов Анатолий Алексеевич

Ведущая организация: Институт прикладной механики УрО РАН, г. Ижевск

Защита состоится «25» декабря 2009 года в 14-30 на заседании диссертационного совета Д 212.267.13 при ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36, 10 корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 34а.

Автореферат разослан «» _ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Ю.Ф. Христенко 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена моделированию седиментации частиц полидисперсной суспензии в классификационных аппаратах.

Актуальность темы. Для рационального использования центробежных классификаторов в различных производственных процессах (очистка почв, отделение требуемых минералов от пустых пород и т.д.) нужно иметь надежные расчетные методы, позволяющие еще на стадии проектирования с достаточной точностью прогнозировать основные показатели разделения. Чтобы понять основы седиментационного процесса, происходящего в аппаратах подобного типа (работающих с полидисперсными суспензиями), требуется достаточное количество информации о поведении оседающих частиц в жидкости с учетом их взаимодействия с другими частицами.

На практике для многих классификационных аппаратов было многократно замечено, что мелкие частицы, несмотря на свой небольшой размер, оказываются в выводимом потоке крупных частиц.

Это явление до настоящего времени не нашло однозначного объяснения в научной литературе. Чтобы избавиться от данного нежелательного содержания мелких частиц в потоке крупных фракций в гидроциклонах, зачастую используют дополнительную инжекцию жидкости перед сливным отверстием. Но для эффективности использования впрыска необходимо знать оптимальные параметры инжекции: объем впрыскиваемой жидкости, скорость инжекции, размер отверстия. В настоящее время исследование влияния инжекции на эффективность разделения твердой фазы в суспензии в основном проводятся экспериментальным методом. Четкой теоретической модели данного явления до сих пор не существует.

Цели и задачи исследований. Целью данной научной работы является изучение процесса седиментации частиц полидисперсной суспензии в классификационных аппаратах методами математического и численного моделирования. Задачи исследования состоят в следующем:

1. Создание физико-математической модели оседания частиц полидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге с учетом взаимодействия частиц между собой. Обоснование формулы для экспериментального определения скорости оседания частиц в тарельчатой центрифуге;

2. Разработка физико-математической модели седиментации частиц полидисперсной суспензии в классификационном аппарате с учетом взаимодействия частиц между собой. Обоснование механизма попадания частиц мелких фракций в выводимый поток крупного продукта.

3. Исследование влияния начальной общей концентрации твердой фазы, гранулометрических свойств исходной суспензии и геометрических параметров аппарата на процесс классификации;

4. Получение приближенных аналитических решений определения концентраций частиц в классификационном аппарате;

5. Моделирование классификационного аппарата с инжектором.

Исследование влияния скорости инжекции жидкости и размера инжекционных сопел на характеристики классификации.

Методы исследований. Поставленные задачи были решены с помощью аналитических методов, методов математического и численного моделирования. Моделирование оседания частиц в тарельчатой центрифуге проводилось с использованием численного метода Годунова. Численное решение задачи о седиментации частиц в классификационном аппарате было получено с использованием разностной схемы Патанкара.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Построена физико-математическая модель седиментации частиц полидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуги с учетом увлечения мелких частиц крупными.

Обосновано попадание частиц мелких фракций в поток крупного продукта, выводимого через нижний слив классификационного аппарата, типа гидроциклон.

Построена математическая модель седиментации частиц в классификационном аппарате с дополнительной инжекцией жидкости, предназначенной для удаления мелкодисперсных фракций из потока крупнодисперсного материала. Проведено исследование влияния параметров инжекции (скорости, размера инжекционного отверстия) на характеристики классификационного процесса.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Физико-математическая модель оседания частиц полидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге с учетом их взаимодействия. Обоснование применения формулы для экспериментального определения скорости оседания твердых частиц полидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге;

2. Физико-математическая модель оседания частиц полидисперсной суспензии в классификационном аппарате.

Объяснение аномального поведения сепарационной кривой для частиц мелкоразмерных фракций. Результаты численного моделирования оседания частиц полидисперсной суспензии в классификационном аппарате;

3. Модель классификационного аппарата с дополнительной инжекцией жидкости. Результаты численного моделирования оседания частиц полидисперсной суспензии в классификационном аппарате с инжектором.

Достоверность полученных результатов работы обеспечивается корректностью используемых математических постановок задач, непротиворечивостью результатов и выводов. Достоверность численных результатов в данной работе обеспечивается путем проведения исследований решения на сеточную сходимость и сравнений их с экспериментальными данными и аналитическим решением для случая слабоконцентрированной полидисперсной суспензии.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в возможности использования полученного выражения для определения скорости оседания частицы, в зависимости от ее размера, концентрации твердой фазы и учитывающей ее взаимодействие с другими частицами при инженерных расчетах классификационных аппаратов. Проведено обоснование механизма попадания мелкоразмерных частиц в поток крупного материала. Модель классификационного аппарата с дополнительной инжекцией жидкости позволяет определить оптимальные параметры инжекции (скорость, размер отверстия) для повышения эффективности разделения частиц (т.е. снижению содержания мелких частиц в выводимом потоке крупных фракций).

Апробация работы. Основные результаты научных исследований были доложены на следующих конференциях:

а) Международных: Международная школа-конференция молодых ученых «Физика и химия наноматериалов», (Томск, ТГУ, 2005); 5th International conference on Transport Phenomena in Multiphase Systems, 2008 (HEAT 2008, Bialystok, Poland, June 30 – July 3, 2008); International conference on Physical Separation’09 (Falmouth, UK, June 16-17, 2009).

б) Всероссийских: IX Всероссийская научно-техническая конференция «Физика и химия высокоэнергетических систем», (Томск, ТГУ, 2003);

Научная сессия молодых ученых научно-образовательного центра «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, ТГУ, 2004);

XI Всероссийская научно-техническая конференция «Физика и химия высокоэнергетических систем», (Томск, ТГУ, 2005); Первая Всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем», (Томск, ТГУ, 2005); Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии.

Инновация», (Новосибирск, НГТУ, 2006); II Всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем», (Томск, ТГУ, 2006); IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, (Нижний Новгород, НГУ, 2006); V Всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики», (Томск, НИИПММ, 2006); III Всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем», (Томск, ТГУ, 2007); IV Всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем», (Томск, ТГУ, 2008); VI Всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики», (Томск, НИИПММ, 2008).

Результаты диссертационной работы докладывались устно на научных семинарах технического факультета Университета ЭрлангенНюрнберг (г. Эрланген, Германия, в 2003 и 2008 гг.).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в научных статьях в ведущих научных журналах. Из них три статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих научных журналов и изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для опубликования результатов диссертаций.

В целом по теме диссертации опубликовано 20 работ [1-20].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 124 с., содержит 48 рисунков. Список источников литературы включает наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность моделирования седиментации частиц полидисперсной суспензии в классификационных аппаратах, формулируется цель и задачи исследования, показывается научная новизна работы и практическая значимость полученных результатов, приводятся положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен литературный обзор по возмущенному оседанию частиц полидисперсной суспензии, способам классификации частиц и основным характеристикам процесса классификации.

Во второй главе проведено моделирование оседания частиц полидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге.

В п. 2.1 и 2.2 приводится математическая постановка задачи.

Описание эволюции каждой фракции частиц твердого материала проводится в предположении, что она является отдельной фазой, концентрация которой подчиняется уравнению сохранения объемной доли твердых частиц:

rciUs,i ci + = 0, (1) t r r rin < r < rout, i = 1, N, N - количество фракций.

Здесь - скорость оседания частиц i -ой фракции в суспензии, ci – U s,i объемная концентрация частицы i-ой фракции, rin и rout - внутренний и внешний радиусы центрифуги, соответственно.

В начальный момент распределение частиц по объему центрифуги близко к однородному, т.е.

ci(0, x)= ci0 = mi0cV 0. (2) ci Здесь mi0 = - начальная относительная объемная доля i-ой cV фракции частиц, cV 0 - начальная концентрация твердой фазы в суспензии.

На левой и правой границах области задается равенство потока частиц нулю:

ciUs,i(t,rin)= 0, ciUs,i(t, rout ) = 0. (3) В пункте 2.3 представлены выражения для определения скорости в эксперименте и при численном моделировании.

Скорость частиц фракции диаметром di в эксперименте определяется по следующей формуле:

rp ln ci(rp,t).

Us,i(rp,t)= (4) 2 t Здесь rp – координата точки отбора пробы.

При моделировании седиментации частиц суспензии и определении скорости оседания частиц, следуя (Дик И.Г., Миньков Л.Л., Неессе Т.

Гидродинамическая модель ускорения седиментации мелких частиц в бидисперсной суспензии // Теплофизика и аэромеханика. 2001. Т.8, №2.

С. 283-294; Minkov L., Dueck J. Collective Effects by Settling of Polydisperse Dense Suspension // Eurasian Physical-Technical Journal. 2005.

V. 2, No. 1(3). P. 47-63.), учитываются три основных явления:

1) Изменение свойств среды, в которой оседают частицы (изменение плотности и вязкости среды).

2) Генерация течений крупными частицами вблизи собственной поверхности, которая приводит к тому, что мелкие частицы увлекаются крупными и движутся быстрее, чем по формуле Стокса.

Этот механизм существенен при незначительных концентрациях крупных частиц.

3) Течение жидкости из-за ее вытеснения потоком оседающей твердой фазы, которое проявляется за пределами гидродинамического пограничного слоя на частице. По этому механизму (существенному, если концентрация суспензии достаточно высока) мелкие частицы могут увлекаться противотоком жидкости, вытесняемой оседающими частицами.

В итоге, результирующая формула для определения скорости имеет следующий вид:

n VH,i VS,i = di2 + A(cV )fe(di )- cV (d + A(cV )fe(d ))m, (5) j j j dij= где VH,i = VSt,i(1- cV )(1- cV 0.6)1.5 - скорость стесненного оседания 1 n частицы в полидисперсной суспензии, fe (di ) = d 6m - j j d j >di функция увлечения, A(cV ) = 2.5cV 3 exp(-[5cV ]3) - поправочная функция, полученная экспериментально (Дик И.Г., Килимник Д.Ю., Миньков Л.Л., Неессе Т. Измерение скорости седиментации мелкодисперсных частиц в тарельчатой центрифуге // ИФЖ. 2003. Т.76, №4. С. 7-17.). Здесь - параметр, характеризующий размер частицы, gdiкоторая может увлекать более мелкие частицы, VSt,i = b ( - L)- 18L p скорость Стокса оседания частицы, b - центробежное число (отношение центробежного ускорения к гравитационному, g ), L - вязкость жидкости, p - плотность твердой фазы, L - плотность жидкости.

Первое слагаемое в (5) соответствуют скорости стесненного оседания частицы, второе слагаемое соответствует увеличению скорости частицы за счет увлечения ее более крупными частицами, третье слагаемое отвечает за влияние на скорость оседания частицы потока жидкости, вытесненной оседающей твердой фазой.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»