авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Научные основы современных технологий распыливания воды в системах вентиляции и кондиционирования воздуха

-- [ Страница 2 ] --

Анализ работ по исследованию закономерностей каплеобразования на зернах ПВР показал, что известные расчетные зависимости не позволяют однозначно характеризовать дисперсность распыла во взаимосвязи с указанными выше параметрами. Это объясняется малоизученностью механизма отрыва капель с зерен ПВР, отсутствием физически и математически обоснованной модели процесса.

Эффективным способом исследования монодисперсного режима и прогнозирования диспергирующей способности ПВР является создание математической модели каплеобразования с последующим широкомасштабным вычислительным экспериментом. Известен целый ряд работ, использующих современные методы численного моделирования задач со свободными межфазными границами для исследования закономерностей капле- и струеобразования из отверстий или микросопел. Однако работы по моделированию каплеобразования на смачиваемых твердых элементах на сегодняшний день отсутствуют.

Также отмечается, что конструкции распылительных аппаратов на основе ПВР должны соответствовать современным требованиям по энергоэффективности. Если потребление энергии на водяном тракте определяется, в конечном счете, конструктивным исполнением распылителя и характеристиками факела распыла, то для воздушного тракта аппарата важно его аэродинамическое совершенство. В частности заметная доля потерь давления имеет место на входе в аппарат, который часто оформляется в виде раструба. При всасывании воздуха во входных участках, там, где твердые границы обуславливают физически невозможную кривизну линий тока, формируются зоны вихреобразований (отрывные зоны). Чем больше размеры отрывных зон, тем больше потери давления в воздушном тракте распылительного аппарата. Профилирование входных участков по очертаниям свободных линий тока, ограничивающим отрывные зоны, позволит исключить местные потери давления, уменьшить энергоемкость аппарата и уровень шума, создаваемого им.

На основе выполненного анализа, в заключении, формулируются задачи исследований.

Во второй главе изложены результаты численного моделирования каплеобразования на твердых смачиваемых элементах в поле силы тяжести, выполненные с использованием пакетов CFD программ для анализа течений жидкости. Исследование такой модели позволяет выявить закономерности формирования и отрыва капель при работе статических каплеобразующих устройств.

Постановка задачи: капля жидкости формируется на вертикальных каплеобразователях в виде сферы, конуса и цилиндра (моделях зерен ПВР) в поле силы тяжести. Подпитка жидкостью осуществляется через кольцевой канал а между каплеобразователем и насадкой с ножевыми кромками (рис.1, а). Рассматривается область течения несжимаемой вязкой жидкости, смачивающей поверхность каплеобразующего элемента (рис. 1, б). При малых изменениях температуры физические свойства системы «воздух–жидкость–твердый элемент» приняты постоянными, кроме поверхностного натяжения жидкости, которое линейно зависит от температуры. Вектор ускорения силы тяжести направлен вниз по оси z.

 еометрические параметры-0

Рис. 1 Геометрические параметры рассмотренных каплеобразующих элементов (а);

схема расчетной области течения жидкости (б)

Математическая модель исследуемого процесса каплеобразования в цилиндрических координатах (r, z) строится на системе уравнений сохранения:

- уравнение неразрывности

, (1)

- уравнения движения Навье - Стокса

, (2)

, (3)

где u, v – радиальная и осевая компоненты поля скорости U; t – время; p – давление; g – ускорение силы тяжести; rr, rz, zz – компоненты тензора напряжений :

, , . (4)

Для замыкания краевой задачи уравнения (1)(4) должны быть дополнены соответствующими начальными и граничными условиями, а также кинематическими и динамическими условиями на границе раздела фаз «жидкость – воздух». Требуемые условия сформулированы в следующем виде.

В начальный момент времени жидкость неподвижна, положение ее нижней границы в питающем канале соответствует уровню CD. Температура и давление p постоянны во всей области течения.

На поверхностях насадка BC и каплеобразующего элемента АHG имеем условие прилипания и непроницаемости

. (5)

На оси симметрии GF (при r = 0)

, . (6)

На верхней границе кольцевого канала АВ принимаем условие постоянства скорости подпитки vo

. (7)

На нижней границе расчетной области FE предусматривается отсутствие изменений течения в осевом направлении

. (8)

На границе расчетной области CDE отсутствуют изменения в радиальном направлении

. (9)

Для отслеживания свободной поверхности используется специальная процедура, известная как метод объема жидкости – VOF метод. Суть его заключается в том, что для областей вблизи межфазной границы «жидкость – воздух» в уравнения движения вводится функция F, характеризующая долю содержания в ней жидкости. Так F = 1 в области, полностью заполненной жидкостью, и F = 0 в области, заполненной воздухом. Если ячейка содержит межфазовую границу, то для F определяется промежуточное значение 0 < F < 1 способом линейной аппроксимации значений в соседних ячейках области. Поле функции F меняется при движении аналогично полю скорости жидкости, так что справедливо уравнение переноса:

. (10)

Уравнение (10) выражает кинематическое условие на границе раздела фаз «жидкость – воздух».

Динамическое условие на свободной поверхности, отражающее силовое взаимодействие фаз, определяется скачком физических свойств и действием силы поверхностного натяжения . Выражение для в рамках VOF метода имеет вид

, (11)

где означает операцию градиента; – единичный вектор нормали к свободной поверхности, направленный внутрь жидкости; k – кривизна свободной поверхности, выражаемая через главные радиусы кривизны R1 и R2 в виде

. (12)

В цилиндрической системе координат главные радиусы кривизны в любой точке свободной поверхности капли определяются соотношениями

, . (13)

Уравнение неразрывности (1) справедливо для всей расчетной области, а также на межфазовой границе. Динамическое условие (11) для поверхности раздела включается в уравнения Навье-Стокса:

, (14)

. (15)

Уравнения (1)(15) формулируют краевую задачу о течении жидкости на смачиваемом элементе с образованием капель в поле силы тяжести.

На рис. 2 представлены результаты расчетов отрывных объемов капель воды (), отделяющихся от сфер с безразмерным радиусом = 0.989;1.465;2.619 () и конусов с углом =15°; 30° и 45°, а также цилиндров радиусом = 0.916;1.282;1.648 и 2.197 при различных значениях расхода жидкости (). Там же приведены данные физических экспериментов, полученные на опытной установке по формированию и улавливанию капель воды в иммерсионной среде.

На рис.3 приведено сравнение смоделированного процесса с натурными экспериментами по каплеобразованию на сферических, конических и цилиндрических насадках. Качественная картина, полученная при численном моделировании, практически полностью совпадает с приведенной на фотоснимках, включая последовательность образования за основной каплей так называемых капель-спутников.

а) б) в)

Рис. 2 Зависимость отрывных объемов основных капель от расхода при

каплеобразовании на сферах (а), конусах (б) и цилиндрах (в)

 отоснимки и численные модели-38

Рис. 3 Фотоснимки и численные модели отрыва капель от сферы 16 мм

и цилиндра 5 мм

Рис. 4 иллюстрирует типичные расчетные профили, наблюдаемые при каплеобразовании на «нити» – тонком цилиндре радиусом <0.5. Из рисунка видно, что капля формируется до предотрывного объема не на нити, а непосредственно на срезе насадка. В ходе отрыва «основная» капля свободно падает вниз, смачивая поверхность нити по всей ее длине. От распада перешейка на нити остаются капли-спутники, удерживаемые на ней силами поверхностного натяжения до тех пор, пока следующая «основная» капля не поглотит их при своем падении.

Рис.4 Фотоснимок и компьютерная модель отрыва капли от насадка 6 мм

с аксиальной нитью 0.4 мм (= –6.3).

Выявленные закономерности каплеобразования на нитях дали возможность предложить способ распыливания жидкостей без образования капель-спутников. Возможности этого способа рассмотрены в главе 6. Там же приводится описание экспресс-метода для определения поверхностного натяжения жидкостей, который разработан на основе наблюдений за формированием капель на конусах с углом раствора до <15°.

Приведение уравнения (15) к безразмерному виду путем введения характерной длины r = a (см. рис. 1, а), скорости v = vo и времени t = a/vо

. (16)

показывает, что процесс каплеобразования определяется тремя критериями - Рейнольдса , Фруда и Вебера , характеризующими, соответственно, относительный вклад в динамику движения сил вязкого трения, силы тяжести и силы поверхностного натяжения жидкости. Наибольшее влияние на процесс отрыва, а соответственно, и на размер капель, оказывает число Вебера (We). Его критическое значение на границе между капельным истечением и струеообразованием в опытах составило . Можно считать, что при идет гарантированный режим каплеообразования при формировании капель на рассмотренных смачиваемых элементах в поле силы тяжести.

Третья глава посвящена разработке и математическому описанию динамической модели каплеобразования на гранулах ПВР в поле центробежной силы, учитывающей структурные характеристики материала ПВР, а также интенсивность течения жидкости через его распыливающую поверхность.

Идеализация схемы расположения гранул на поверхности ПВР подразумевала, что (рис. 5):

 хема ПВР (а) и капли на зерне (б) а)-49

Рис. 5 Схема ПВР (а) и капли на зерне (б)

а) все гранулы являются осесимметричными телами одинакового радиуса , расположенными на цилиндрической поверхности радиуса так, что отношение площадей пустот (питающих пор) и площадей сечений гранул равно коэффициенту пористости материала ПВР;

б) реальное расположение пустот (пор) на поверхности ПВР заменено кольцами вокруг гранул.

Средняя скорость жидкости, питающей каплю через пору, была определена на основе законов линейной фильтрации:

. (17)

Общий расход жидкости через ПВР длиной l в режиме каплеобразования –

.

Отмечено, что уравнение (17) выполняется при следующем соотношении параметров процесса фильтрации:

Р1.Р2.Р3.21, (18)

где величины , и характеризуют, соответственно, пористую структуру ПВР, геометрию распылителя и свойства жидкости. Коэффициент учитывает характер взаимодействия зерен материала распылителя и жидкости (смачивание – несмачивание). Таким образом, уравнение (18) может служить основой для выбора параметров работы ПВР, при которых может быть достигнут режим каплеобразования на зерне.

Затем формулируется краевая задача для потенциала скорости течения Ф в осесимметричном объеме капли , ограниченном поверхностью зерна 1, поверхностью кольцевой питающей поры о и межфазовой поверхностью Г на границе "жидкость-газ"(рис. 5, б). Полагается, что в области реализуется безвихревое течение идеальной жидкости, описываемое уравнением Лапласа

. (19)

При формулировании краевой задачи для Ф были введены следующие характерные величины: длина ; скорость ; потенциал ; время ; кривизна криволинейной поверхности ; величина и обозначены безразмерные переменные , и т.д. Для этих переменных полная система уравнений, определяющих математическую модель каплеобразования на грануле ПВР, записывается в следующем виде.

Уравнение (19) в безразмерных переменных сохраняет свой вид:

. (20)

Граничные условия на неизменной части области (рис. 5, б):

на поверхности 1 ; (21)

на поверхности о , (22)

где n – внутренняя нормаль.

На свободной поверхности капли Г:

- кинематическое условие совместного движения частиц жидкой и газовой фаз на общей поверхности

, (23)

где N – смещение Г по внешней нормали m;

  • динамическое условие, отражающее силовое взаимодействие фаз и устанавливающее связь между потенциалом и капиллярным давлением (уравнение Лагранжа-Коши)

, (24)

где ; , – критерий Вебера; – произвольная функция безразмерного времени.

Одна из трудностей, встречающихся при решении задач со свободными границами – движение во времени неизвестной поверхности, условие для нахождения которой содержит частные производные по времени от характеристик, определяющих это решение. Такая трудность имеется и в задаче о каплеобразовании в поле центробежной силы, дополненная еще нелинейностью в краевом условии на границе Г – формула (24).

Рис. 6. К определению изменений границы Г капли Процедура определения положения поверхности Г и функции Ф в любой момент времени предлагается в следующем виде (черта над безразмерными величинами опущена). Пусть для двух близких моментов времени t = 0 и t = имеем области 0 и , а также известна функция Ф(r,z,0) в области 0. Обозначим пересечение областей 1=0 (рис. 6), и в этой подобласти рассмотрим функцию Ф(r,z,t). За время изменение функции Ф(r,z,t) можно представить приближенно (с точностью до малых второго порядка) как


Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.