Гидродинамика решеток, инерционных улавливающих устройств и фильтров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат технических наук Моренко, Ирина Вениаминовна

• Моренко, Ирина Вениаминовна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Моренко, Ирина Вениаминовна

Введение.

Глава 1. Расчет сопротивления и поворотных свойств решеток при малых и умеренных числах Рейнольдса.

1.1. Обзор.

• 1.2. Постановка задач обтекания решеток.

1.3. Численные методы.

1.4. Тестовые расчеты.

1.5. Симметричное обтекание решеток.

1.6. Поворотные свойства решеток круговых цилиндров.

Глава 2. Инерционные улавливающие устройства.

2.1. Обзор существующих конструкций водоуловителей, результатов расчетов и экспериментальных исследований.

2.2. Математическая модель потока воздуха в ячейке периодичности и перед ней.

2.3. Уравнения движения капли.

2.4; Расчет потоков воздуха.

2.5. Расчет траекторий капель.

2.6. Расчет эффективности водоуловителей.

2.7. Потери давления.

Глава 3. Фильтры для грубой очистки воды от механических примесей.

3.1. Способы очистки воды от механических примесей.

3.2. Магистральный фильтр грубой очистки воды.

3.3. Математическое моделирование движения жидкости в полости магистрального фильтра.

3.4. Перенос частиц потоком жидкости, их взаимодействие с фильтровальной перегородкой.

3.5. Расчет движения жидкости и траекторий примесей в полости магистрального фильтра.

3.6. Устройство малогабаритного фильтра-ловушки.

• 3.7. Потенциально-вихревая схема Лаврентьева для расчета радиально-симметричного течения жидкости в трубе с внутренним выступом.

3.8. Результаты расчета основных характеристик фильтра-ловушки.

3.9. Оценка гидравлического сопротивления.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гидродинамика решеток, инерционных улавливающих устройств и фильтров»

В современных промышленных технологиях широко используются процессы обтекания решеток потоком жидкости или газа. В частности, решетки водоуловителей устанавливаются в; градирнях на; пути парогазовой смеси для: сепарации воды, грубая; очисткам оборотной воды от механических примесей осуществляется с помощью фильтров с сетчатыми перегородками.'

Актуальность. В> связи; с развитием/ общественного производства увеличиваются размеры ущерба, наносимого окружающей среде. Выбросы технической' воды в атмосферу при: эксплуатации градирен могут привести к нарушению экологического баланса в окрестности промышленной, зоны. Другим источником загрязнения! природы являются выбросы сточных вод промышленных предприятий. Недостаточная очистка оборотной воды влечет за собой забивку технологического оборудования, теплообменников; способствует интенсификации коррозии рабочих поверхностей. На этапе проектирования: новых форм;лопаток водоуловителей, конструкций фильтрующих устройств, а: также при отыскании рациональных режимов эксплуатации, решении задач повышения эффективности.* их работы; необходимо, знать важнейшие гидродинамические характеристики течений, траектории движения примесей. Сопротивление решеток потоку должно быть минимальным, не вызывать неоправданных затрат энергии. Требования; высокой надежности, бесперебойной работы оборудования делают проблему исследования течений в; водоуловителях и фильтрующих устройствах актуальной;

Цель, работы и задачи исследования. Развитие методик расчета коэффициентов гидродинамического сопротивления: решеток цилиндров с различными; формами поперечного сечения; при: малых и умеренных числах: Рейнольдса; определение поворотных свойств решеток круговых цилиндров; расчет потоков; жидкости и. траекторий примесей в рабочих полостях водоуловителей и фильтров;, разработка высокоэффективных водоуловителей жалюзийного типа с регулируемой степенью поджатая воздушного потока; фильтров! грубой очистки воды от механических примесей с самоочищающимися перегородками.

Методы, исследований. Гидродинамические особенности названных выше устройств могут быть выявлены в результате натурных экспериментов либо методами математического моделирования. В данной работе для описания движения примесей используются бесстолкновительные монодисперсные модели, несущей фазы - модели идеальной несжимаемой жидкости, в том; числе, потенциально-вихревая схема Лаврентьева, а также модель вязкой жидкости. Системы уравнений решаются численно на базе метода конечных элементов. Серии расчетов, в которых варьируются режимные и геометрические параметры, позволяют получить подробные и наглядные сведения об изучаемых объектах, выделить рациональные конструкции.

Обоснованность и достоверность результатов диссертации обеспечивается строгим математическим обоснованием методик расчета; качественным, либо количественным согласием полученных решений; с численными решениями-других авторов; подтверждением в отдельных случаях численных результатов экспериментальными данными.

Научная новизна и практическая ценность диссертации состоят в; том, что предложены новые подходы определения коэффициентов гидродинамического сопротивления, поворотных свойств решеток при умеренных числах Рейнольдса. Показано, что значения коэффициентов сопротивления решетки уменьшаются с ростом числа» Рейнольдса и шага решетки. Расчетным путем выявлено изменение характеристик течения с уменьшением шага. Установлено, что коэффициент преломления; решетки определяется единственным параметром — её гидравлическим сопротивлением. Получены также новые результаты об особенностях движения капель в водоуловителях, примесей в фильтрах.

Применение на? предприятиях химии, нефтехимии, топливно-энергетического комплекса водоуловителей с рациональным профилем лопаток снижает выбросы технической воды в атмосферу, уменьшает техногенное воздействие на окружающую среду; реализация предложенных технических решений по очистке оборотной воды от механических примесей обеспечивает бесперебойную эксплуатацию теплообменного и другого технологического оборудования, продлевает срок службы данных устройств. В результате внедрения, названных предложений улучшились характеристики оборотной воды, показатели работы технологического оборудования. Данные обстоятельства подтверждаются справками об использовании результатов НИР и актами внедрения.

Полученные расчетные формулы могут быть использованы при оценке местных потерь гидравлического напора систем с решетками, при проектировании устройств для выравнивания потоков в гидравлических каналах и лопатках.

Личный вклад автора. Моренко И.В. принадлежит участие в разработке новых конструкций водоуловителей и фильтров, моделей «и методик расчета их характеристик;, ею осуществлена программная реализация данных методик; выполнены расчеты основных параметров решеток, водоуловителей и фильтров; проведен анализ полученных результатов. На защиту выносятся:

- методики- и результаты расчета коэффициентов гидродинамического сопротивления решеток затупленных тел при малых и умеренных числах Рейнольдса, поворотных свойств решеток, состоящих из ряда круговых цилиндров бесконечной длины;

- математическое модели потоков, двухфазных сред в межлопаточном пространстве водоуловителей и полостях фильтрующих устройств;

- результаты расчетов гидродинамических характеристик водоуловителей, фильтров и траекторий частиц;

- новые конструкции водоуловителей, магистрального фильтра и фильтра-ловушки для грубой очистки воды от механических примесей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 165 е., в том числе 72 рисунка, 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Моренко, Ирина Вениаминовна

выводы:

1. Проведено численное исследование стационарного отрывного обтекания решеток вязкой несжимаемой жидкостью. Рассмотрены решетки с прутками поперечного сечения в г форме круга, квадрата, ромба; пластины и эллипса, ориентированного поперек и вдоль потока, а также руля Жуковского. Получены зависимости основных гидродинамических параметров: длины вихревой области, угла отрыва, коэффициента сопротивления трения и, коэффициента сопротивления давления от числа Рейнольдса. Найдена универсальная зависимость коэффициента сопротивления трения цилиндров с разными формами поперечного сечения от числа Рейнольдса в случае обтекания их безграничным потоком;

2. Численно изучены поворотные свойства решетки круговых цилиндров при< несимметричном обтекании потоком- вязкой жидкости. Установлено, что коэффициент преломления является; функцией только»одного параметра -коэффициента сопротивления. Найден вид зависимости коэффициента преломления от коэффициента сопротивления решетки.

3. Проведен анализ имеющихся, конструкций водоуловителей и фильтров. Осуществлена классификация данных устройств, выделены наиболее перспективные направления их совершенствования, дающие возможность максимального улавливания капель, реализации принципов самоочистки фильтровальной перегородки.

4. Предложены новые формы лопаток инерционных водоуловителей; для предотвращения капельного уноса в градирнях; новые конструкции! высокоэффективного магистрального и малогабаритного фильтра-ловушки> для очистки воды от механических примесей; сочетающие фильтрование с разделением; примесей под; действием силы тяжести. Преимуществом данных устройств является простота конструкций; возможность регенерации фильтровальной перегородки путем обратного тока воды, а также наличие механизмов самоочистки.

5. Предложены математические модели и методики расчета движения несущей фазы и траекторий частиц в рабочих полостях новых устройств. В ходе численных экспериментов при различных геометрических и режимных параметрах показана высокая эффективность работы этих устройств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам диссертационной работы можно сделать следующие

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Моренко, Ирина Вениаминовна, 2004 год

1. Williamson G.H.K. Evolution of a single wake behind a pair of bluff bodies 7/ J. Fluid Mech. 1985. №159. P. 1 - 18.

2. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. 712 с.

3. Идельчик И.Е. Некоторые интересные эффекты и парадоксы в аэродинамике и гидравлике. М.: Машиностроение, 1982. 96 с.

4. Бетчелор Дж. Введение в динамику жидкости. М.: Мир, 1973. 758 с.

5. Oseen C.W. Uber die Stokes'sche Formel und fuber eine verwandte Aufgabe in der Hydrodynamik. Art. Mat. Astron. Fys. 1910. 6(29).

6. Tamada K., Miura H., Miyagi, T. Low-Reynolds-number flow past a cylindrical body//J. Fluid Mech. 1983. № 132. P. 445-455.

7. Tomotika S., Aoi T. An expansion formula for the drag on a circular cylinder moving through a viscous fluid at small Reynolds numbers // Quart. J. Mech. Appl. Math. 1951. Vol: 4. № 4. P. 401 -405.

8. Kaplun S. Low Reynolds number flow past a circular cylinder // J. Math. Mech. 1957. Vol. 6. № 5. P. 595 603.

9. Keller J.B., Ward M.J. Asymptotics beyond all orders for a low Reynolds number flow // J. Eng. Math. 1996. № 30. P. 253 265.

10. Wang C.Y. Stokes flow through a rectangular array of circular cylinders // Fluid dynamics research. 2001. № 29. P. 65 80.

11. Wang C.Y. Stokes flow through an array of rectangular fibers // Int. J. Multiphase flow. Vol. 22. № 1. P. 185 194;

12. Ng C.W., Cheng. V.S.Y., Ко N.W.M. Numerical study of vortex interactions behind two circular cylinders in bistable flow regime // Fluid dynamics research. 1997. №19. P. 379-409.

13. Breuer M., Bernsdorf J., Zeiser Т., Durst F. Accurate computations of the laminar flow past a square cylinder based on two different methods: lattice-Boltzmann and finite-volume // Int. J. Heat Fluid Flow. 2000. № 21. P. 186 -196.

14. Управление обтеканием тел с вихревыми ячейками в приложении к летательным аппаратам интегральной компоновки (численное и физическое моделирование) / Под ред. Ермишина A.B., Исаева С.А. М.: СПб., 2001. 360 с.

15. Lange C.F., Durst F., Breuer M. Wall effects on heat losses from hot-wires // International Journal of Heat and Fluid Flow. 1999. № 20. P. 34 47.

16. Wieselsberger C. Neuere Feststellungen über die Gesetze des Flussigkeits- und Luftwiderstandes. Phys. Z. 1921. Vol. 22. № 11. P. 321 -328.

17. Tritton DJ; Experiments on the flow past a circular cylinder at low Reynolds numbers // J. Fluid Mech. 1959. № 6. P. 547 567.

18. Jayaweera K.O.L.F., Mason B.J. The behavior of freely falling cylinders and cones in a viscous fluid//J. Fluid. Mech: 1965. Vol. 22. № 4. P. 709 720;

19. NishiokaM., Sato H. Measurements of velocity distributions in the wake of a circular cylinder at low Reynolds number// J. Fluid Mech. 1974. № 65. P. 97 -112.

20. Huner В., Hussey R.G. Cylinder drag at low Reynolds number // Phys. Fluids 1977. Vol. 20: № 8. P. 1211 1218.

21. Posdziech O., Grundmann R. Numerical Simulation of the Flow Around an Infinitely Long Circular Cylinder in the Transition Regime // Theoret. Comput. Fluid Dynamics. 200 V. №15: P. 121-141.

22. Suh J.C., Kim K.S. A vorticity-velocity formulation for solving the two-dimensional Navier-Stokes equations // Fluid dynamics research. 1999. № 25. P. 195-216.

23. Breuer M. Numerical and modeling influences on large eddy simulations for the flow past a circular cylinder // International Journal of Heat and Fluid Flow.1998. №19. P. 512-521.

24. Okajima A. Numerical simulation of flow around rectangular cylinders // J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 1990. № 33. P. 171 — 180.

25. Klekar K.M., Patankar S.V. Numerical prediction of vortex shedding behind square cylinders // Int. J. Numer. Meth. Fluids. 1992. № 14. P. 327 341.

26. Zdravkovich, M.M. Flow Around Circular Cylinders, vol. 1: Fundamentals. Oxford University Press, New York. 1997.

27. Saha A.K., Muralidhar K., Biswas G. Experimental study of flow past a square cylinder at high Reynolds number // Experiments in fluids. 2000. № 29. P. 553 -563.

28. Chandna A. Flow past an elliptic cylinder// J. Computational and Applied Math. 1997. №85. P. 203-214.

29. Young D.L., Huang J.L., Eldho T.I. Simulation of laminar vortex shedding flow past cylinders using a coupled BEM and FEM model // Comput. Methods appl. Mech. Eng. 2001. № 190. P. 5975 5998.

30. Liu Z.G., Wang P.K. Pressure drop interception efficiency of multifiber filters // Aerosol Science and Technology. Vol. 26. № 4. 1997.

31. Vijaysri M., Chhabra R.P., Eswaran V. Power-law fluid flow across an array of infinite circular cylinders: a numerical study // J. Non-Newtonian Fluid Mech.1999. №87. P. 263 282.

32. Shibua S., Chhabraa R. P., Eswaranb V. Power law fluid flow over a bundle of cylinders at intermediate Reynolds numbers // Chemical Engineering Science. 2001. № 56. P. 5545-5554.

33. Guillaume D.W., LaRue J.C. Comparison of the vortex shedding behavior of a single plate and plate array // Experiments in fluids. 2001. № 30. P. 22 26.

34. Turfus С., Cfstro I.P. A Prandtl-Batchelor model of flow in the wake of a cascade of normal flat plates // Fluid dynamics research. 2000. № 26. P. 181 -202.

35. Ng C.W., Cheng V.S.Y., Ко N.W.M. Numerical study of vortex interactions behind two circular cylinders in bistable flow regime // Fluid dynamics research.1997. № 19. P. 379-409.

36. Tatsuno M., Amamoto H., Ishi-i K. Effects of interference among three equidistantly arranged cylinders in a uniform flow// Fluid?dynamics research.1998. № 22: P.* 297 315.

37. Farrant Т., Tan M., Price W.G. A cell boundary element method applied to laminar vortex shedding from circular cylinders // Computers & Fluids. 2001. № 30. P. 211 -236.

38. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. 616 с.

39. Идельчик И.Е. Аэродинамика технологических аппаратов. М., 1983. 351 с.

40. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Наука, 1984. 520 с.

41. Захаренков М.Н. Реализация граничных условий частичного или полного проскальзывания при решении уравнений Навье-Стокса в переменных функция тока-завихренность // ЖВМ и МФ. 2001. Т. 41. № 5. С. 796 806.

42. Ван-ДайкМ! Альбом течений жидкости и газа. М.: Мир, 1986. 182 с.

43. Исаев С.А., Судаков А.Г., Баранов П.А., Кудрявцев H.A. Тестирование многоблочного алгоритма нестационарных ламинарных отрывных течений // ИФЖ. 2002. Т. 75. № 2. С. 28 35.

44. Краснов Н.Ф., Кошевой В.Н., Калугин В.Т. Аэродинамика отрывных течений. М.: Высш. шк., 1988; 351 с.

45. Боровков B.C., Майрановский Ф.Г. Аэрогидродинамика систем вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1978. 116 с.

46. Шургальский Э.Ф., Еникеев И.Х. Численное моделирование осаждения капель в каналах сложной формы // ИФЖ. 1999. Т. 12. ЖЗ: С. 473 481.

47. Нигматулин Б.И;, Еникеев И.Х. Математическое моделирование осаждения капель- в сепарационной зоне парогенераторов АЭС // Теплофизика и аэромеханика. 1998. Т. 5. № 2. С. 183 — 188.

48. Пономаренко B.C., Арефьев Ю.И; Градирни промышленных и энергетических предприятий: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 19981376 с.

49. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. Л.: Машиностроение, 1976. 502 с.

50. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. М.: Мир, 1981.304 с.

51. Федяевский К.К., Войткунский Я.И., Фаддеев Ю.И; Гидромеханика. Л.: Судостроение, 1968. 568 с.

52. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971. 784 с.

53. Ленгмюр И. Искусственное осаждение кучевых облаков при температуре выше 0°С в результате цепного процесса. В сб.: Физика образования облаков. М.: ИЛ, 1951. 244 с.

54. Климович В.И., Сухов Е.А., Шишов В.И. Заключение на водоуловитель градирни // Итоги VIL Международной конференции по энергосбережению при модернизации градирен. Нижнекамск. 1999. С. 19 — 20.

55. Общая химическая: технология. Под ред. Мухленова И.П. Изд. 2. М.: Высш. шк., 1970. 600 с.

56. Жужиков В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. М.: Химия, 1980:397 с.

57. Коган В.Б. Теоретические основы типовых процессов химической технологии. JL: Химия, 1977. 591 с.

58. Коваленко В.П., Ильинский A.A. Основы техники очистки жидкостей от механических загрязнений: М.: Химия, 1982. 272 с.65: Берестюк Г.И. Регенерация фильтров для разделения суспензий. М:: Химия, 1978.96 с.

59. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред: Ч. I. М.: Наука, 1987. 464 с.

60. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972. 440 с.

61. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. М.: Мир, 1971. 536 с.

62. Брок Т. Мембранная фильтрация: М.: Мир, 1987. 462 с.

63. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1992.475 с.

64. Ripperger Siegfried. Berechnungsansatze zur Cross flow // Filtration. Chem. Ing. Techn. 1993. Vol. 65: №5. P. 533 -540.

65. Гидродинамическое взаимодействие частиц в суспензиях. Механика. Новое в зарубежной науке. М.: Мир, 1980. 243 с.

66. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М. Наука, 1976.255 с.

67. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В: Проблемы гидродинамики и их математические модели. М.: Наука, 1973. 416 с.

68. Гольдштик М.А. Вихревые потоки. Новосибирск: Наука, 1981. 366 с.

69. Алимов М.М., Мазо А.Б. О схеме М.А. Лаврентьева для моделирования стационарных вихревых зон // МЖГ. 2002. № 5. С. 45 53.

70. Вабищевич П.Н., Гассиев Р.В. Численное решение задачи о склейке потенциальных и вихревых течений // Численные методы механики сплошных сред. Новосибирск, 1986. Т. 17. № 3. С. 10 18.

71. Мазо А.Б., Алимов М.М. Моделирование стационарного отрывного обтекания тел и решеток несжимаемой жидкостью // Тр. IX Всеросс. школы-конф. "Современные проблемы мат. моделирования". Ростов-на-Дону: РГУ, 2002. С. 151 155.

72. Мазо А.Б., Моренко И.В., Федяев В.Л. Моделирование отрывных течений и переноса примеси в трубах с применением потенциально-вихревой схемы // Исследования по прикладной математике и информатике. Вып. 23. Казань: изд-во Каз. мат. общ-ва; 2001. С. 82 91.

73. Мазо А.Б. Обобщение схемы М.А.Лаврентьева на случай осесимметричных и несимметричных отрывных течений // Тр. Мат. центра им. Н.И. Лобачевского. Т. 14. Изд-во КМО. 2002. С. 199 208.

74. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т.1. М.: Наука, 1976. 536 с.

75. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. М.: Энергоатомиздат, 1984. 640 с.

76. Богомолов А.И. Гидравлика; М. 1959. 199 с.

77. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды. М.: Химия, 1982.272 с.