Теоретическое и экспериментальное исследование пространственной структуры газового потока в вихревых аппаратах с односопловым входом и пластинчатым

завихрителем

Хамидуллин Р.Н.(434@таИ.ги ), Останин Л.М., Панарин Ю.И.

Казанский государственный технологический университет

В настоящее время для интенсификации различных физико-химических процессов применяют высокоэффективный современный способ взаимодействия фаз в вихревых контактных устройствах [1, 2, 3]. Для правильного понимания работы вихревых контактных устройств необходимо знания структуры потока. По структуре потока можно судить о способах интенсификации, как гомогенных, так и гетерогенных процессов.

В настоящее время известно много современных экспериментальных данных о структуре газового потока в аппаратах вихревого типа [1, 3, 4]. В известных работах, обычно, рассматривается течение газа лишь для осесимметричного потока. При несимметричном односопловом локальном подводе газа в аппарат и при наличии элементов конструкции со сложной геометрией по известным данным невозможно описать структуру газового потока, как до вихревого контактного устройства (ВКУ), так и в его щелях. Вихревое контактное устройство, представленное на рис. 1 рекомендуется нами для интенсификации, как гомогенных процессов смешения газов, так и для гетерогенных процессах в системах: газ - жидкость, газ - твердые частицы, газ - жидкость - твердые частицы. Реализация последних процессов обеспечивает на практике создание современных высокопроизводительных компактных и высокоэффективных энерго- ресурсосберегающих технологий на основе принципиально новых аппаратов.

Целью работы является исследование пространственной структуры газового потока однозаходного тангенциального завихрителя с вихревым контактным устройством.

Для составления математической модели и анализа полученных результатов нами использовался программный комплекс (ПК) <<PHOENICS>> [5, 6]. Достоверность аналитически полученных результатов определялась на основе сравнения с нашими экспериментальными данными, экспериментальными данными других авторов.

Для расчета была выбрана декартова система координат. Попытки применения цилиндрической системы координат из-за сложности задания необходимой геометрии ВКУ, задания граничных условий и неудовлетворительной сходимости результатов были отложены. Тест на сеточную зависимость выявил оптимальную расчетную сетку, которая составила по высоте 20 ячеек, по ширине и длине 60 ячеек (60х60х20). Расчетная сетка равномерно распределена по всему объему.

Физико-химические параметры среды: поток однофазный, текущая среда -воздух с физико-химическими свойствами при температуре 20 °С (плотность, вязкость и др.). Искомыми величинами являются давление, скорость, кинетическая энергия турбулентности и ее диссипация. Сила тяжести направлена в противоположном направлении оси «z», рисунок 1.

К о рпус ап пар ата

В ихрев о е кон тактн о е устр о й ств о с глухи м верхним основанием и о тв ер сти ем в ни зу

Т ан г ен ц и аль н ы й п атруб ок вхо а газа

О тв ер сти е для вы хо да газа

Т а ре л ка

55

Рисунок 1 - Схема вихревого устройства с односопловым входом газа и

пластинчатым завихрителем.

Сравнение расчетов различных моделей турбулентности выявил наиболее оптимальную - К-Е модель турбулентности. Ее эмпирические константы получены путем обработки экспериментальных данных для различных условий [7, 8]. Некоторые источники указывают, что стандартная К-Е модель может давать завышенные значения параметров турбулентности для течений с обратными токами и зонами циркуляций [9]. Сравнивая расчеты по стандартной К-Е модели и ее модификации Кена и Чима, которая специально разработана для

расчета течений с зонами циркуляции, значительных отличий выявлено не было. В то время как время расчета по модели Кена и Чима увеличилось, по крайней мере, в два раза.

Граничные условия: Вход - скорость газа 15 м/с (по осям составляющие скорости газа: «х» - 15 м/с, «y», «z» - 0 м/с). Использованы встроенные в программный комплекс граничные условия на стенке для турбулентного потока с заданием пристеночных функций в виде логарифмического профиля скорости вблизи стенки. Интенсивность турбулентности на входе задавалась равной 5%. На выходе задано давление и использовались «мягкие» граничные условия на параметры турбулентности, то есть нулевой градиент по нормали к поверхности выхода.

Итерационный процесс заканчивался, если расхождение предыдущих итераций и последующих составляло 0,1 %. Количество итераций, при этом, составляло порядка 8000, время расчета одного варианта - 9 часов на ЭВМ (Pentium IV 2000 МГц).

На этом этап отладки программы закончен, встает вопрос о проверке адекватности полученных данных.

Для проверки адекватности математической модели необходимо сравнение с данными экспериментальных исследований. В литературе отсутствуют данные об условиях проведения эксперимента и места замера относительно тангенциального входа. Поэтому были проведены экспериментальные исследования структуры газового потока в вихревом аппарате с ВКУ пневмометрическим методом с помощью шарового зонда. Причем собственный эксперимент для сравнения ориентирован на работы других авторов. Наиболее широко исследована структура потока в аппаратах с восходящим потоком фаз [3], поэтому в данных исследованиях, также, выбран восходящий поток. Если подтвердится адекватность отображения математической модели экспериментальных данных (собственных и литературных источников), то можно будет с уверенностью полагать, что и для нисходящего потока фаз можно будет получить адекватную картину течения газа математическим путем, предполагая, что направление движение газовой фазы не будет существенно влиять на характеристики потока.

По аналогии с условиями эксперимента была построена математическая модель, подобно вышеописанной. Изменения коснулись геометрических размеров аппарата: высота = 0,5 м, внутренний диаметр = 0,15 м, внутренняя высота однозаходного тангенциального завихрителя = 0,091 м, диаметр патрубка входа газа = 0,038 м.

Поскольку интерес представляет течение газа в области между корпусом аппарата и завихрителем и в виду ограничения ресурсов ЭВМ и сложности создания необходимой расчетной сетки для подобного экспериментального ВКУ были приняты следующие допущения:

- толщина лопаток увеличена до 3 мм, не изменяя внутренний и наружный диаметры ВКУ, = 60 мм (при толщине лопаток 1 мм расчетная сетка их не «видит»);