Моделирование динамики процесса вибрационного транспортирования сыпучего материала тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Журавлева, Елена Вадимовна

• Журавлева, Елена Вадимовна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Журавлева, Елена Вадимовна

Введение.

1. Состояние проблемы. Задачи исследования.

1.1. Классификация и область применения вибротранспортных машин.

1.2. Влияние физико-механических свойств сыпучих материалов на процесс транспортирования.

1.3. Анализ методов моделирования и математических моделей сыпучих материалов.

1.4. Методы расчета вибрационных конвейеров.

1.5. Цель и задачи исследования.

Выводы по главе 1.

2. Математическая модель сыпучего материала.

2.1. Нелинейные уравнения кинетической теории газов.

2.2. Связь кинетических уравнений с макроскопическими уравнениями переноса.

2.3. Неупругие столкновения в потоке сыпучего материала

2.4. Уравнения, описывающие движение среды.

2.5. Предварительные сведения для вычисления тензора давлений.

2.6. Тензор давлений для однокомпонентного материала в равновесном случае

2.7. Тензор давлений для однокомпонентного материала в не равновесном случае.

Выводы по главе 2.

3. Численное моделирование процессов течения.

3.1. Система уравнений, описывающих движение сыпучей среды.

3.2. Анализ численных методов.

3.3. Метод крупных частиц для интегрирования дифференциальных уравнений.

3.4. Численное моделирование динамики сыпучего материала.

Выводы по главе 3.

4. Экспериментальные исследования процесса транспортирования.

4.1. Определение структурно-механических свойств сахарного песка.

4.2. Описание экспериментальных исследований.

4.3. Сравнительный анализ результатов эксперимента и численного моделирования.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование динамики процесса вибрационного транспортирования сыпучего материала»

Актуальность работы. Технический прогресс последних лет привел к широкому распространению технологий, использующих различные сыпучие материалы. В сельском хозяйстве распространенными сыпучими средами являются зерно, семена технических культур, минеральные удобрения, почва; в строительстве - песок, гравий, грунты, цемент; в химической промышленности - порошки, гранулы; в сахарной промышленности - сахар и т.п. Запросы практики приводят к созданию и внедрению таких перспективных видов транспорта гранулированных материалов, как пневмо, вибро и гравитационный транспорт, расчет которых невозможен без изучения законов движения гранулированных сред.

В настоящее время широкое распространение получили вибрационные методы интенсификации технологических процессов транспортирования. Вибрационное оборудование обычно позволяет легко автоматизировать процесс обработки материалов, совместить несколько операций в одной. Все вышесказанное, с одной стороны обусловило интенсивное внедрение вибрационных процессов в промышленности, с другой стороны, требует развития методов анализа сложных динамических систем, вибрационных машин.

Усилиями ведущих ученых в области динамики вибрационных машин, таких как Блехман И.И., Гончаревич И.Ф., Лавенделл Э.Э., Потураев В.Н., Червоненко А.Г., Спиваковский А.О. и др., в настоящее время создана база для расчетов, основанная на использовании феноменологических моделей. А модель на основе изучения взаимодействии частиц изучена недостаточно. Однако дальнейшее успешное внедрение вибрационных машин требует разработки динамических моделей, учитывающих особенности движения реальных систем, в частности выяснение основных законов движения сыпучей среды при вибровоздействии особенности взаимодействия гранулированного материала с рабочим органом.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Координационным планом РАН 1.11.1 "Теория машин и систем машин"

Цель работы: совершенствование вибротранспортного оборудования сыпучих материалов, повышение эффективности его эксплуатационных показателей на основе разработки методики расчета с использованием аппарата механики сплошных сред и методов кинетической теории газов.

Для достижения заданной цели необходимо было сделать следующее:

- разработать математическую модель поведения сыпучего материала, исходя из анализа столкновения частиц в потоке;

- разработать дискретную математическую модель расчета процесса транспортирования на основе метода крупных частиц;

- изучить закономерности поведения сыпучей среды при гравитационном движении и движении на вибрирующем лотке;

- провести сравнительный анализ результатов численного моделирования с экспериментальными данными, исходя из этого разработать методику нахождения реологических коэффициентов'.

- выявить области параметров и режима работы вибромашин, обеспечивающих максимальную производительность.

Методика исследования. Динамическая модель вибротранспортирования сыпучего материала построена на основе законов механики сплошных сред с применением методов кинетической теории газов. Для анализа динамики системы применяются численные методы интегрирования системы дифференциальных уравнений.

Научная новизна. Разработана динамическая модель поведения сыпучего материала при вибровоздействии, исходя из анализа столкновения частиц в потоке.

Разработан метод расчета вибрационных технологических процессов транспортирования, позволяющий определять плотность, проекции скорости, компоненты тензора напряжений для заданного момента времени в любой точке потока.

Разработан пакет программ и проведено численное моделирование методом крупных частиц, позволившее изучить влияние основных параметров колебаний на скорость, плотность и напряженное состояние сыпучего материала, учитывать взаимодействие обрабатываемой среды с рабочим органом. На основе этого разработана методика сопоставления: сыпучая среда реологические коэффициенты (коэффициент восстановления и коэффициент шероховатости частицы).

Практическая ценность заключается в разработке методики расчета, позволяющей исследовать динамику движения сыпучей среды при гравитационном и вибрационном транспортировании, определении оптимальных параметров работы виброконвейера.

Практическая реализация результатов работы. Материалы диссертации применялись для расчета процесса вибротранспортирования сахарного песка. (ОАО "Золотухинский сахарный завод").

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Ш-1У Международных конференциях "Вибрационные машины и технологии" (г.Курск, 1997, 1999), XXVII летней международной школе ученых-механиков (г.Санкт-Петербург,1999); Международный симпозиум "Машины и механизмы ударного, периодического и вибрационного действия" (г.Орел, 2000); Научно-технический семинар "Применение низкочастотных колебаний в технологических целях" (г.Ростов-на-Дону, 2000); Научно-техническая конференция "Проблемы строительства и механизации производственных процессов" (Полтава, 2000); Курском городском семинаре по прикладной и теоретической механике (г.Курск, 19952000).

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 7-ми публикациях.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст состоит из 120 страниц, включая 40 рисунков и таблиц, список литературы содержащий 90 наименований, а также приложения на 1 странице.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Журавлева, Елена Вадимовна

Выводы по главе 4

1. Проведенные эксперименты по транспортированию сахарного песка позволяют определить режимы работы виброконвейера для обеспечения максимальной производительности.

2. Сравнительный анализ натурных экспериментов и численного моделирования подтвердил приемлемое совпадение результатов.

3. На основании численного моделирования предложен критерий.

Заключение

На основе комплексного подхода к изучению процесса транспортирования с позиций механики сплошных сред в условиях переменной плотности и анализа взаимодействия удара между частицами получены следующие научные и практические результаты:

1. На основе изучения неупругих столкновений частиц в потоке создана математическая модель сыпучей среды, что позволило описать сыпучий материал тремя экспериментально определяемыми реологическими коэффициентами: диаметром частиц, коэффициентами восстановления и шероховатости.

2. Создана методика расчета среднего диаметра частиц, как медианы статистического ряда, полученного по результатам ситового анализа, поскольку реальная сыпучая среда представляет собой смесь частиц различного диаметра.

3. Построена методика и алгоритм численного интегрирования дифференциальных уравнений течения сыпучего материала с привлечением метода крупных частиц и использованием закона сохранения энергии. По результатам численного моделирования определена связь между коэффициентами шероховатости и восстановления и углом естественного откоса. Установлено, что на эту связь диаметр частиц влияния не оказывает.

4. Разработан пакет прикладных программ, позволяющий исследовать процесс вибротранспортирования. Он дает возможность рассчитать распределение плотности материала, проекций скоростей и напряжений с указанием их значений в каждой крупной частице расчетной схемы в любой момент времени. По результатам численного моделирования процесса транспортирования сахарного

120 песка предложен комплексный критерий и его пороговые значения, при достижении которых происходят физические изменения процесса транспортирования.

5. Установлено, что при достижении одного порогового значения из монолитного движения материала в целом возникает расслоение сыпучего материала, где скорости нижнего и верхнего слоя существенно различные, при этом возникают циркуляционные процессы, что негативно сказывается на транспортировании, но может использоваться для совмещения транспортирования и сушки. При достижении другого порогового значения происходит отрыв материала от рабочего органа. Теоретические расчеты подтверждены экспериментальными исследованиями.

6. Выявлены области параметров и режимы работы вибромашин, обеспечивающие максимальную производительность виброконвейера. Методика расчета процесса вибротранспортирования сахарного песка и соответствующее оборудование внедрены на ОАО "Золотухинский сахарный завод".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Журавлева, Елена Вадимовна, 2000 год

1. Андрианов Е.И. Методы определения структурно-механических характеристик порошкообразных материалов. М.: Химия, 1982. 255с.

2. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. Т.1 -М.:Мир, 1990. 382с.

3. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. Вычислительный эксперимент. М.: Наука, 1982. 392с.

4. Блехман И.И. Вибрационная механика. М.: Физматлит,1994. 400с.

5. Блехман И. И. Что может вибрация? М.: Наука, 1988. 208с.

6. Блехман И. И., Джанелидзе Г.Ю. Вибрационное перемещение. -М.: Наука, 1964. 410с.

7. Вибрации в технике Т.2. Колебания нелинейных механических систем: Справочник. -М.: Машиностроение, 1979. 351с.

8. Вибрации в технике Т.4. Вибрационные процессы и машины: Справочник /Под ред. Э.Э. Лавенделла. М.: Машиностроение, 1981.509с.

9. Волотковский B.C. и др. Выбор оборудования карьерного конвейерного транспорта.-М.:Недра, 1990. 192с.

10. Ю.Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. -М.: ИЛ, 1961. 929с.

11. Н.Гончаревич И.Ф., .Фролов К.В. Теория вибрационной техники и технологии. -М.: Наука, 1981. 320с.

12. Гончаревич И.Ф. Вибротехника в горном производстве. М.: Недра, 1992. 319с.

13. Горицкий C.B. Численное моделирование гранулированной среды в режиме быстрого движения / Автореферат диссертации на соискание степени кандидата физико-математических наук.-Москва,1990. 20с.

14. Грэд Г. Теория разреженных газов. В кн.: Газодинамика разреженных газов. -М.: Ил, 1963. 171-232с.

15. Грэд Г. Асимптотическая теория уравнения Больцмана. Сб. Некоторые вопросы кинетической теории газов. М.: Мир, 1965. 7-92с.

16. Гячев JI.B. Движение сыпучих материалов в трубах и бункерах. -М.: Машиностроение, 1968.17.3айдель А.Н. Элементарная оценка ошибок измерений. -JL :Наука, 1967. 163с.

17. Ильюшин A.A. Механика сплошной среды. — М.: Изд-во МГУ , 1978. 287с.

18. Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел. -М.:Стройиздат, 1977. 256с.

19. Колесников П.М. Методы теории переноса в нелинейных средах. Минск: Наука и техника, 1981.

20. Конвейеры для доставки крупнокусковых грузов в черной металлургии в СССР и за рубежом. М.:, 1984.

21. Кудрявцев Л.Д. Курс математического анализа. Т.2.-М.:Высшая школа, 1984. 586с

22. Конвейеры. Справочник: Под ред. Ю.А.Пертена Ленинград: Машиностроение, 1984. 368с.

23. Маслова О.Г. Исследование динамики и разработка методики расчета вибрационных дозаторов сыпучих материалов методомкрупных частиц. /Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Курск, 1992. 165с.

24. Механика гранулированных сред // Теория быстрых движений.-М.: Мир, 1985. 250с.

25. Нагаев Р.Ф. О пространственном соударении твердых тел. Известия Академии наук. М.: 1992. 24-30с.

26. Паламарчук 1.П. Досл1дження динамки мехашчних привод1в та технолопчних можливостей конвейерно'1 в1брац1йно'1 машини. /Автореферат дисертаи на здобуття вченого ступеня кандидата техшчних наук. Вшниця, 1995. 20с.

27. Поляков JIM. Определение механических характеристик сыпучих материалов. Кинетика и катализ, 1974.Т.15, №3, 765с.

28. Потураев В.Н., Червоненко А.Г., Ободан Ю.Я. Динамика и прочность вибрационных транспортно-технологических машин. Ленинград: Машиностроение, 1989. 112с.

29. Раскин Х.И. Применение методов физической кинетики к задачам вибрационного воздействия на сыпучие среды. ДАН СССР. 1975. №1. 54с.

30. Самарский A.A., Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики. -М.: Наука, 1980. 352с.

31. Сапронов А.Р. Технология сахарного производства. -М.: Агро-промиздат, 1986. 431с.

32. Сахаров В.А. Быстрое течение гранулированной среды в вертикальном плоском канале / Сб. Вопросы гидродинамики, аэрофизики и прикладной механики. М.: МФТИ, 1985.

33. Седов Л.И. Механика сплошных сред. Т.1, М.:Наука,1970. 492с.

34. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. М.: Наука, 1990. 243с.

35. Спиваковский А.О., Гончаревич И.Ф. Вибрационные конвейеры, питатели и вспомогательные устройства М. Машиностроение, 1972. 328с.

36. Спиваковский А.О. Транспортирующие машины. М.: Машиностроение, 1983. 487с.

37. Сэвидж С. Гравитационное течение несвязанных гранулированных материалов в лотках и каналах. Сб. Механика гранулированных сред М.: Мир, 1985.

38. Сэвидж С., Джеффри Д. Тензор напряжений в потоке гранулированной среды при высоких скоростях сдвига. Сб. Механика гранулированных сред М.: Мир, 1985.

39. Тропман А.Г. Вибрационные конвейеры для транспортирования горячих материалов. М.: Машиностроение, 1972. 120с.

40. Фадеев Б.В. Конвейерный транспорт на рудных карьерах. М.: Недра, 1972. 192с.

41. Хвингия М.В. Динамика и прочность вибрационных машин с электромагнитным возбуждением. -М.: Машиностроение, 1980. 145с.

42. Чепмен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов.-М.: ИЛ, 1960.510с.

43. Черчиньяни К. Теория и приложения уравнения Больцмана. -М.: Мир, 1978. 496с.

44. Черчиньяни К. Математические методы кинетической теории газов. М.: Мир. 1973. 245с.

45. Членов В.А., Михайлов Н.В. Виброкипящий слой. М.: Наука, 1972. 344с.

46. Шаталова И.Г., Горбунов Н.С., Лихтман В.И. Физико-химические основы вибрационного уплотнения порошковых материалов. -М.: Наука, 1965. 163с.

47. Ширко И.В., Семенов А.В. Быстрое течение гранулированной среды из неупругих, шороховатых, сферических частиц. Сб. Аэрофизика и геокосмические исследования. М.: МФТИ. 1984. 100с.

48. Яцун С.Ф., Сафаров Д.И., Мищенко В .Я., Локтионова О.Г., Уварова Н.П. Вибрационные машины и технологии. Ч.1.-Баку:"Элм", 1999. 142с.

49. Яцун С.Ф., Журавлева Е.В. Математическая модель поведения сыпучего материала при вибрации // III Международная научно-техническая конференция "Вибрационные машины и технологии" Курск, 1997.

50. Яцун С.Ф., Маслова О.Г. Моделирование процесса поведения сыпучего материала на вибрирующем лотке // ИФЖ. 1992. Т.63. №2. .277-231с.

51. Abu-Zaid S., Ahmady G. Simple kinetic model for rapid granular flows including frictional losses J. Engng Mech. ASCE, 116, 1990. p.p.379-389.

52. Abu-Zaid S., Ahmady G. Analysis of rapid shear flow of granular materials by a kinetic model including frictional losses. Powder Technol. 77, 1993. p.p.7-17.

53. Babic M. On the stability of rapid granular flows, J. Fluid Mech. 254, 1993. p.p.127-150.

54. Babic M., Shen H.H., Shen H.T. The stress tensor in granular shear flows of uniform deformable disks at high solid concentrations. J. Fluid Mech. 219, 1990. p.p. 81-118.

55. Campbell C.S. Boundary interactions for two-dimensional granular flows: Part 1. Flat boundaries, asymmetric stresses and couple stresses, J. Fluid Mech. 247, 1993. p.p.l 11-136, Part 2. Roughened boundaries, J. Fluid Mech. 247, 1993. p.p.137-156.

56. Campbell C.S. The stress tensor for simple shear flows of a granular material. J. Fluid Mech. 203,1989. p.p.449-473.

57. Carnahan N.F., Starling K.E. Equations of state for non-attracting rigid spheres. J.Chem.Phys., 51,1969. p.p.635-636.

58. Carnahan N.F., Starling K.E.,Mansoori G.A., Leland T.W. Equilibrium thermodynamic properties of the mixture of hard spheres. J.Chem.Phys., 54, 1971.p.p. 1523-1525.

59. Cao J, Anmady G. and Massoudi M. Gravity granular flows of slightly frictional particles down an inclined lumpy chute J. Fluid Mech. 316, 1996. p.p.197-222.

60. Drake T.G. Granular flow physical experiments and their implications for microstructural theories. J. Fluid Mech. 225, 1991. p.p. 121152.

61. Goldhirsch I., Tan M.-L., Zanetty G. A molecular dinamical study of granular fluids I: the unforced granular gas in two dimensions. J. Sci. Comput. 8,1993. p.p. 1-40.

62. Goldshten A., Shapiro M. Mechanics of collisional motion of granular materials. Part 1. General hydrodynamic equations. J. Fluid Mech. 282, 1995. p.p.75-114.

63. Goldshten A., Shapiro M., Moldavsky L., Fichman M. Mechanics of collisional motion of granular materials. Part 2. Wave propagation through a granular layer. J. Fluid Mech. 287, 1995. p.p.349-382.

64. Goldshten A., Shapiro M., Gutfmger C. Mechanics of collisional motion of granular materials. Part 3. Self-similes shock wave propagation. J. Fluid Mech. 316, 1996. p.p.29-52.

65. Goldshten A., Shapiro M., Gutfinger C. Mechanics of collisional motion of granular materials. Part 4. Expansion Wave. J. Fluid Mech. 327, 1996. p.p.l 17-139.

66. Lan Y., Rosato A.D., Macroscopic behavior of vibrating beds of smooth inelastic spheres. Phy. Fluids 7. 1995. p.p. 1818-1831.

67. Luding S., Herrmann H.J., Blumen A. Simulations of two-dimensional arrays of beads under external vibrations: Scaling behavior. Phys Rev. E 50, 1994. p.p.3100-3108.

68. Lun C.K.K. Kinetic theory for granular flow of dense, slightly inelastic, slightly rough spheres. J. Fluid Mech. 233, 1992. p.p.539-559.

69. Lun C.K.K., Bent A.A. Numerical simulations of inelastic frictional spheres in simple shear flow. J. Fluid Mech. 258, 1994. p.p.335-353.

70. Hilbert D., Grundzüge einer allgemeinen Theorie der linearen Integralgleichungen, New York, Chelsea, 1953.

71. Hopkins M.A., Shen H.H. F Monte Carlo solution for rapidly shearing granular flows based on the kinetic theoiy of dense gases, J. Fluid Mech. 244, 1992. p.p.477-491.

72. Hopkins M.A., Louge M.Y. Inelastic microstructure in rapid granular flows of smooth disks. Phys. Fluids, 1991.A3, p.p.47-57.

73. Hsiau S.S., Hunt M.L. Shear-induced particle diffusion and longitudinal velocity fluctuations in a granular-flow mixing layer. J. Fluid Mech. 251, 1993. p.p.299-313:

74. Jenkins J.T. Rapid flows of granular materials. In Non-Classical Continuum Mechanics. Cambridge University Press. 1987. p.p.213-225.

75. Jenkins J.T., Richman M. W. Boundary conditions for plane flows of smooth, nearly elastic, circular disks. J. Fluid Mech.171, 1986.p.p. 53-69.

76. Jenkins J.T., Savage S.B. A theory for the rapid flow of identical, smooth, nearly elastic, spherical particles. J. Fluid Mech. 130,1983. p.p. 187-202.

77. Jonson P.C., Jackson R. Frictional-collisional constitutive relations for granular materials, with application to plane shearing. J. Fluid Mech. 176, 1987. p.p.67-93.

78. Lun C.K.K., Savage S.B., Jeffrey P.J., Chepurniv N. Kinetic theories for granular flow: inelastic particles in Couette flow and slightly inelastic particles in a general flow field. J. Fluid Mech. 140,1984. p.p.223-256.

79. McNamara S. Hydrodynamic modes of a uniform granular medium. Phys. Fluids.A5 , 1993, p.p. 3056-3070.

80. Nott P., Jackson R. Frictional-collisional equations of motion for granular materials and their application to flow in aerated shutes. J. Fluid Mech. 241, 1992. p.p.126-144.

81. Savage S.B. Instability of unbounded uniform granular shear flow. J. Fluid Mech. 241, 1992.p.p. 109-203.

82. Savage S.B. Streaming motions in a bed of vibrationally fluidized dry granular material. J. Fluid Mech. 194, 1988.p.p.457-478.

83. Savage S.B. Instability of unbounded uniform granular shear glow. J. Fluid Mech, 241, 1992. p.p.109-123.

84. Schmid P.J., Kytoma H.K. Trasient and asymptotic stability of granular shear flow J. Fluid Mech, 264, 1994. p.p.255-275.

85. Wang D.G., Campbell C.S. Reynolds analogy for shearing granular material. J. Fluid Mech. 244,1992. p.p.527-546.129

86. Wang C.-H., Jackson R., Sundaresan S. Stability of bounded rapid shear flows of a granular material. J. Fluid Mech. 308, 1996.p.p.31-62.

87. В результате использования данной методики повышается эффективность процесса транспортирования сахарного песка, ®а счет подбора рациональных параметров вибрационного воздействия.