Адаптація математичних моделей дифузійних процесів газів і аерозолів у турбулентних потоках для каналів вентиляційних систем. Підвищення ефективності методів контролю газоаерозольних потоків у вентиляційних системах на основі математичного моделювання.
Аннотация к работе
Складовою частиною будь-якого промислового підприємства є такі інженерно-технічні споруди, як вентиляційні системи, що забезпечують належні санітарно-технічні норми у промислових приміщеннях, безпеку праці і дотримання технологічних процесів. Особливої уваги вентиляційні системи привертають і як основні джерела викидів шкідливих для здоровя людини та навколишнього середовища, відходів промислової діяльності, що утворюються в енергетиці, хімічній, гірничо-видобувній промисловості, будівництві. Недостатньо розглянуті методи прогнозного розрахунку характеристик вентиляційних систем, існують труднощі, повязані з вирішенням складних наукових завдань, а саме: дифузійних процесів в турблентних течіях промислової вентиляції та методів прогнозування викидів. Метою дослідження є підвищення ефективності методів контролю газоаерозольних потоків у промислових вентиляційних системах на основі математичного моделювання, що забезпечує достовірну оцінку параметрів викидів в експлуатаційних та проектних режимах роботи. Дослідити процеси дифузії типових джерел домішок у потоці для визначення закономірностей розподілу їхньої концентрації за довжиною та перетином каналів, на основі яких розробити методи розрахунку характеристик газоаерозольних потоків у промислових вентиляційних системах для прогнозування їхніх викидів.Дослідження дифузійних процесів у турбулентних потоках на вхідних ділянках круглих і кільцевих циліндричних каналів виконувалися на спеціально спроектованому і виготовленому експериментальному аеродинамічному стенді. Встановлено, що математичні моделі адекватно описують газодинамічні параметри потоку, як по довжині, так і у перетині каналу. Цей результат можна пояснити тим, що, з одного боку, збільшення швидкості транспортуючого газу (збільшення числа Рейнольдса) веде до збільшення ступеня турбулентності, а з іншого, скорочується час проходження частки від джерела домішки до точки вимірювання. Зазаначено, що адекватно описує процес дифузії домішки в турбулентному потоці як повна, так і апроксимаційна моделі. Виконана оцінка впливу радіусу встановленя датчика й числа Рейнольдса на погрішність виміру середньої концентрації турбулентного потоку, що сформувався, у вихідних каналах вентиляційних систем.Розвязання цього завдання спрямоване на вдосконалення промислових систем вентиляції й дозволяє досягти ефекту в технічному, економічному, соціальному і екологічному відношенні. Для розрахунків дифузії домішки адаптовано узагальнену математичну модель массопереносу в потоці на основі моделі турбулентності для каналів вентиляційних систем, яка враховує концентрацію домішки в однорідному потоці, щільність потужності джерела домішки. Аналіз критеріальних співвідношень дозволив установити закономірності протікання процесу дифузії "пасивної" домішки в циліндричних каналах з урахуванням шорсткості внутрішньої поверхні при турбулентному режимі течії. Доведено, що при турбулентному режимі течії довжина шляху вирівнювання концентрації практично не залежить від числа Рейнольдса, але, у той самий час, визначається необхідним ступенем рівномірності концентрації у перетині. Так при відстані до джерела, що дорівнює 20 діаметрам, ступінь рівномірності досягає 0,75, а при відстані в 30 діаметрів ступінь рівномірності перевищує 0,9.
Вывод
У дисертаційній роботі вирішене важливе науково-технічне завдання: підвищення ефективності контролю й прогнозування характеристик газоаерозольних потоків промислових вентиляційних систем. Розвязання цього завдання спрямоване на вдосконалення промислових систем вентиляції й дозволяє досягти ефекту в технічному, економічному, соціальному і екологічному відношенні. За результатами досліджень було зроблено наступні висновки: 1. Для розрахунків дифузії домішки адаптовано узагальнену математичну модель массопереносу в потоці на основі моделі турбулентності для каналів вентиляційних систем, яка враховує концентрацію домішки в однорідному потоці, щільність потужності джерела домішки.
2. Аналіз критеріальних співвідношень дозволив установити закономірності протікання процесу дифузії "пасивної" домішки в циліндричних каналах з урахуванням шорсткості внутрішньої поверхні при турбулентному режимі течії. Встановлена наявність автомодельної зони, при якій довжина шляху вирівнювання концентрації не буде залежати від параметрів газового потоку. Так, зміна дифузійного числа Пеклє Ред для чисел Рейнольдса Re = 3.105 становить не більш, ніж 5% при значеннях відносної шорсткості >0,001. Доведено, що при турбулентному режимі течії довжина шляху вирівнювання концентрації практично не залежить від числа Рейнольдса, але, у той самий час, визначається необхідним ступенем рівномірності концентрації у перетині. Так при відстані до джерела, що дорівнює 20 діаметрам, ступінь рівномірності досягає 0,75, а при відстані в 30 діаметрів ступінь рівномірності перевищує 0,9. Це показує, що на відстані 0,62 радіуса труби від осі для різних розмірів джерела величина концентрації дорівнює середньому значенню, а, отже, відповідає концентрації однорідного потоку.
3. Встановлено закономірності початкових етапів дифузії аерозолів у турбулентному потоці, що враховують фізико-механічні властивості дискретних часток. Для коефіцієнта дифузії аерозолів, що є змінним під час перехідного періоду, отримано вираз при апроксимації коефіцієнта тимчасової лагранжевої кореляції основного потоку експоненційною залежністю.
4. З метою перевірки адекватності математичних моделей дифузійних процесів домішкових речовин у турбулентних потоках, спроектовано та виготовлено експериментальну установку, що забезпечує проведення експериментів.
5. Сплановано і проведено двохфакторний фізичний експеримент із визначення розподілу концентрації домішки по перетину каналу. Встановлено, що розподіл концентрації у перетині практично не залежить від числа Рейнольдса. Отримана функція відгуку для концентрації домішки, що звязує ортогональні координати перетину. Проведена перевірка адекватності математичної моделі дифузії домішки в турбулентному потоці. Доведено, що адекватно описує процес дифузії домішкових речовин у турбулентному потоці як повна, так і апроксимаційна моделі.
6. На основі отриманих результатів розроблено ряд технічних засобів, що підвищують точність виміру характеристик викидів і систем, що розширюють функціональні можливості контролю.
7. Розроблено методику визначення часу проходження дискретних часток по тракту вентиляційних систем, що враховує тривалість індукційного періоду в русі часток. З використанням запропонованої методики виконана оцінка часу переміщення радіоактивних аерозольних часток від місця викиду до засобів їх реєстрації у вентиляційній системі енергоблоку ВВЭР-1000. Доведено, що час проходження в ряді випадків становить більше 30 с. Цю величину слід враховувати для аналізу радіаційного середовища в реакторному відділенні через контрольовану радіоактивність викидів у вихідній вентиляційній трубі в реальному часі.
8. Запропоновано конструкцію аерозольних фільтрів (адсорберів) (Патенти України на корисну модель № 27686, № 33457, №17098, №25320) і вентиляторів(Патенти України на корисну модель №25460, №25366), яка зменшує гідравлічний опір та поліпшити їхні аеродинамічні характеристики.
Наукові й практичні результати впроваджено на промислових підприємствах, обєктах комунального господарства, у науково-дослідних організаціях, що дозволило одержати економічний ефект в розмірі 21000 грн., проведення реконструкції систем вентиляції, оптимізації вкладення засобів у підвищення рівня технічної оснащеності систем контролю викидів, відмови від використання імпортного устаткування, поліпшити аеродинамічні характеристики фільтрів та вентиляторів та зменшити гідравлічний опір в шарі адсорбера.
Список литературы
За результатами дисертації опубліковано 11 наукових праць, з них 2 монографії, 7 статей у наукових журналах і збірниках наукових праць, що входять до переліку ВАК України, 2 публікації у матеріалах і тезах конференцій, одержано 6 патентів України на корисну модель. У роботах, які опубліковані у співавторстві, здобувачеві належить наукова постановка завдання, основні ідеї його розвязання, аналіз отриманих результатів і висновки.
Структура й обсяг дисертації
Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 147 найменувань, 4 додатків на 7 сторінках. Загальний обсяг дисертації 156 сторінок, з яких 133 сторінок основного тексту, робота містить 54 малюнки, 7 таблиць по тексту.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі показана актуальність теми дисертаційної роботи, сформульована мета й завдання наукового дослідження, викладена наукова новизна, практична цінність і реалізація результатів роботи.
Перший розділ являє собою аналіз стану проблеми, зокрема, розглянуті питання утворення аерозолів, їх характеристики, прогнозування й контролю параметрів газоаерозольних викидів промислових вентиляційних систем, дослідження характеристик дифузійних процесів у них.
Відзначений внесок у розвязання даної проблеми вчених в області дослідження й удосконалення вентиляційних систем, контролю промислових викидів, аерогідромеханіки: М.Д. Андрійчука, А.Г. Євдокімов, І.Є. Ідельчік, В.М. Крупчатніков, А.А. Мадоян, В.Я. Меклер, Ф.В. Недопьокін, Р.І. Нігматулін, Є.А. Перегуд, А.В. Прімак, І.М. Разумов, В.І. Соколова, В.М. Строй, Н.А. Фукс, В.І. Ханжонков, І.О. Хінце, Г. Шліхтінг, В.И Ельтерман та ін.
Розглянута роль промислових вентиляційних систем у забезпеченні належних санітарно-технічних норм та безпеки праці у виробничих приміщеннях. Системи вентиляції є основним джерелом викидів шкідливих для здоровя людини й навколишнього середовища відходів виробничої діяльності, поява яких обумовлена веденням технологічних процесів у багатьох галузях промисловості.
Огляд типових схем і методів розрахунків промислових вентиляційних систем показує, що на сьогодні недостатньо розглянуті універсальні методи розрахунків характеристик довільних систем вентиляції, що дозволили б вірогідно прогнозувати їхні викиди.
Відзначається, що достовірний контроль газодинамічних параметрів промислових викидів може бути здійснений тільки лише у сформованому потоці. Питання про довжину початкової ділянки є також відкритим, оскільки в літературі в основному присутні емпіричні й напівемпіричні залежності, які значно різняться між собою. У звязку з цим, на основі математичного моделювання є можливим вирішення питання про довжину початкової ділянки для довільних граничних умов і форм каналу.
Важливим питанням контролю викидів промислових вентиляційних систем є вимірювання концентрації домішки в потоці. Огляд робіт з молекулярної й турбулентної дифузії показав не тільки відсутність єдиних рекомендацій з контролю концентрації домішки, але й адекватного математичного апарату для дослідження закономірностей дифузії аерозолів у турбулентних потоках у вентиляційних каналах. Прийнято напрямок дослідження дифузійних процесів з використанням рівняння турбулентної дифузії ураховуючи емпіричні залежності для коефіцієнта дифузії.
На підставі виконаного аналізу теоретичних і експериментальних робіт з теми дисертації сформульована мета й конкретні завдання дослідження, наведені на початку автореферату.
У другому розділі досліджено закономірності процесів дифузії газів і аерозолів у турбулентних потоках.
На основі аналізу класичного рівняння дифузії й гіпотези Фіка- Буссінеска для осереднених утворень пульсацій швидкостей і концентрації була виконана оцінка впливу коефіцієнта молекулярної дифузії на загальний процес при турбулентній течії основного потоку, яка показала можливість нехтування величиною останнього при числах Рейнольдса Re>104, діапазон яких є робочим для промислових вентиляційних систем.
Загалом для аналізу дифузійних процесів у каналах вентиляційних систем пропонується розглядати узагальнену математичну модель массопереносу в турбулентному потоці, побудовану на базі моделі турбулентної течії при використанні гіпотези k-e турбулентності й рівняння дифузії у вигляді:
де С - концентрація;
t - час;
Dв - коефіцієнт турбулентної (вихорової) дифузії;
f(x, y, z, t) - функція обємної щільності потужності джерел домішки.
Використовуючи емпіричні залежності для коефіцієнта турбулентної дифузії й коефіцієнта аеродинамічного опору тертя, встановлені звязки для основних безрозмірних критеріїв, що характеризують процес дифузії, - дифузійного числа Пеклє Ред, числа Шмідта Sc і Рейнольдса Re, зокрема, отримане критеріальне співвідношення: , де - відносна шорсткість внутрішньої поверхні каналу.
Рис.1. Зміна дифузійного числа Пеклє в шорсткому каналі
Аналіз залежності (рис.1) показав наявність автомодельної зони, при якій довжина шляху вирівнювання концентрації не буде залежати від параметрів газового потоку.
Так, зміна дифузійного числа Пеклєі Ред для чисел Рейнольдса Re > 1,3.105 становить не більш 5% при значеннях відносної шорсткості >0,001.
Допускаючи постійну по величині й напрямку швидкість потоку, на основі методу функцій Гріна виконане аналітичне розвязання рівняння дифузії в круглому циліндричному каналі
(2) де r - радіус;
x - осьова координата.
В якості граничної умови було взято вимогу відсутності проникнення домішки крізь стінки труби, а в якості початкового - рівність нулю концентрації до вмикання джерела. Отримані рівняння розподілу концентрації для функції щільності джерела постійної одиничної інтенсивності, розташованого на початку координат (де d - функція Дірака), а також для функції щільності плоского кругового джерела (де H(rk-r) - функція Хевісайда, rk - радіус джерела).
Рівняння розподілу концентрації для плоского кругового джерела має вигляд де безрозмірні перемінні: радіус ;
радіус джерела ;
осьова координата ;
концентрація ;
час ;
d - діаметр;
C0 - концентрація домішки в однорідному потоці;
J0 - функція Бесселя першого роду нульового порядку;
mn - коріння рівняння ;
J1 - функція Бесселя першого роду першого порядку.
Отримані вирази дозволяють аналізувати розподіл концентрації домішки по перетину й довжині каналу в довільний момент часу при будь-якій комбінації параметрів. Форма подання рівнянь дозволяє розглядати в якості вихідних параметрів безрозмірні змінні й критерії, зокрема, дифузійне число Пеклє.
Рис. 2. Розподіл концентрації по радіусу на відстані 10d від джерела
На рис. 2 показаний розподіл концентрації домішки по радіусу труби на відстані 10d від плоского кругового джерела для різних його розмірів при Ред=368.
Необхідно відмітити, що всі криві перетинаються в одній точці, яка лежить на відстані 0,62 радіуса труби від її осі. Це значить, що, якщо датчик концентрації помістити в цій точці, він покаже значення середньої концентрації в потоці.
Рис. 3. Співвідношення концентрації біля стінок до концентрації на осі.
Важливу інформацію про ступінь рівномірності розподілу дає співвідношення концентрації біля стінок труби до концентрації на осі. Її величина змінюється від нуля при повністю неоднорідному розподілі до одиниці при повністю рівномірному. Залежність цієї величини від відстані до джерела при різних розмірах його наведена на рис. 3. Так, при відстанях більш 27,5d ступінь рівномірності має бути не менш, ніж 0,9 для всіх розмірів джерела.
Аналіз критеріальних співвідношень та аналітичних рішень дозволяє зробити висновок про те, що при турбулентному режимі течії довжина шляху вирівнювання концентрації практично не залежить від числа Рейнольдса (середньої швидкості потоку). Це можна пояснити тим, що при меншій швидкості на тій самій довжині збільшується час дифузійного процесу.
Дослідження закономірностей початкових етапів дифузії аерозолів у турбулентному потоці проводилося із застосуванням рівняння Бассе до опису руху дискретної частки.
Враховувалося, що процес дифузії аерозолів носить складний характер і умовно поділяється на три періоди: індукційний період, під час якого відбувається розгін часток стоксовими силами від нульової швидкості до швидкості основного потоку; перехідний період, під час якого дифузійний процес відбувається при змінному коефіцієнті дифузії; дифузійний процес аерозольних часток при постійному коефіцієнті дифузії, який можна досліджувати методами, що були описані вище.
Час індукційного періоду залежить від щільності, діаметра аерозольних часток та динамічної вязкості основного потоку. Час перехідного періоду Тпп, загалом, однозначно не визначається властивостями аерозолю та основного потоку, а в ряді випадків може встановлюватися, виходячи зі ступеня турбулентності потоку і величини дифузійного числа Пеклє.
, (4) де ;
rp - щільність аерозольних часток;
dp - діаметр часток;
rf - щільність основного потоку;
e - ступінь турбулентності.
Змінний коефіцієнт дифузії в перехідному періоді можна оцінити за виразам
(5) де Dвр ,Dвf - коефіцієнти дифузії аерозольних часток і основного потоку.
Оскільки процес дифузії аерозольних часток носить досить складний характер, то під час організації контролю концентрації аерозольних викидів слід враховувати як довжину шляху вирівнювання концентрації, так і довжину, яку проходять частки під час індукційного та перехідного періоду.1. Насонкина И. К. Контроль аэрозольных выбросов / И. К. Насонкина // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. - 2007. - № 4 (110). - С. 184-187.
2. Соколов В. И. Моделирование массопереноса в турбулентном потоке / В. И. Соколов, А. А. Коваленко, И. К. Насонкина, А. В. Андрийчук // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля. - 2007. - № 3 (109). - С. 154-158.
Авторові належить дослідження характеристик масопереносу на математичній моделі
3. Соколов В. И. Математическая модель диффузии круглого источника в турбулентном потоке / В. И. Соколов, А. А. Коваленко, Н. Д. Андрийчук, И. К. Насонкина // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. - 2007. - № 70 (93). - С. 74-80.
Авторові належить обґрунтування моделі турбулентності в математичній моделі масопереносу
4. Соколов В. И. Особенности контроля аэрозольных выбросов / В. И. Соколов, А. А. Коваленко, И. К. Насонкина // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. - 2007. - № 72 (95). - С. 58-63.
Авторові належить обґрунтування розташування приладів контролю в турбулентному потоці
5. Гусенцова Я. А. Технико-экономические характеристики систем вентиляции / Я. А. Гусенцова, М. Е. Шпарбер, К. Н. Андрийчук, И. К. Федорова (Насонкина) // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. - 2006. - № 58 - С. 69-72.
Авторові належить обґрунтування критерію економічності систем вентиляції.
6. Коваленко А. А. Контроль газоаэрозольных выбросов вентиляционных систем [Електронный ресурс] / А. А. Коваленко, И. К. Насонкина, В. И. Соколов // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля. - Луганск, 2008. - № 1Е №2Е/2008. - Режим доступа к журналу: http://www.nbuv.gov.ua/
Авторові належить обґрунтування методики контролю аерозольних викидів в турбулентному потоці
7. Соколов В. И. Модель двухфазного потока в канале вентиляционной установки / В. И. Соколов, А. А. Коваленко, И. К. Насонкина, И.В. Щурова // Современный научный вестник. - 2008. - № 30 (56) - С. 4-10.
Авторові належить перевірка адекватності математичною і дослідження характеристик двофазного потоку.
8. Дифузійні процеси в технічних пристроях / [Андрійчук Н. Д., Насонкіна І. К, Коваленко А. О., Соколов В. І.]. - Луганськ : Видавництво СНУ ім. В. Даля, 2008. - 240 с.
Авторові належить дослідження характеристик дифузійного процесу в каналах систем вентиляції.
9. Андрійчук Г. В. Фільтри технічних систем / Андрійчук Г. В., Насонкіна І. К., Гончарова Н. В. - Луганськ : Видавництво СНУ ім. В. Даля, 2007. - 107 с.
Авторові належить розробка і обґрунтування ефективності різних конструкцій аерозольних фільтрів.
10. Пат. на корисну модель 17098 Україна, МПК (2006) F 24 F 7/06. Вугільний фільтр / Гусєнцова Я. А., Коваленко А. О., Дядичев К. М., Мінін С. О., Богорад В. І., Лавренчук А. І., Соколов В. І., Федорова І. К. (Насонкіна І. К.), Гусєнцова Є. С., Подлєсна С. В.; властник Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля. - u 2006 02310 ; заявл. 02.03.06 ; опубл. 15.09.06, Бюл. № 9.
Авторові належить розробка схем вугільних фільтрів.
11. Пат. на корисну модель 25320 Україна, МПК (2006) F 24 F 7/06. Вугільний фільтр / Коваленко А. О., Андрійчук Г. В., Насонкіна І. К., Щурова І. В., Соколов В. І., Гусєнцова Є. С., Баранич Ю. В., Пастушкова І. Д., Чередниченко Г. Ю.; властник Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля. - u 2007 01100 ; заявл. 02.02.07 ; опубл. 10.08.07, Бюл. № 12.
Авторові належить обґрунтування ефективності вугільного фільтру.
12. Пат. на корисну модель 27686 Україна, МПК (2006) F 24 F 7/06. Вугільний фільтр / Коваленко А. О., Андрійчук Г. В., Насонкіна І. К., Соколов В. І., Гусєнцова Я. А., Гусєнцова Є. С., Пастушкова І. Д., Чередниченко Г. Ю., Гончарова Н. В.; властник Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля. - u 2007 07357 ; заявл. 02.07.07 ; опубл. 12.11.07, Бюл. № 18.
Авторові належить обґрунтування ефективності вугільного фільтру.
13. Пат. на корисну модель 33457 Україна, МПК (2006) F 24 F 7/06. Вугільний фільтр / Коваленко А. О., Андрійчук Г. В., Насонкіна І. К., Соколов В. І., Гусєнцова Є. С., Щурова І. В., Пастушкова І. Д., Чередниченко Г. Ю.; властник Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля. - u 2008 01478; заявл. 05.02.08 ; опубл. 25.06.08, Бюл. № 12.
Авторові належить формулювання формули винаходу, обґрунтування ефективності вугільного фільтру.
14. Пат. на корисну модель 25460 Україна, МПК (2006) F 24 F 7/06. Протизривний пристрій осьового вентилятора / Башков В. М., Андрійчук Г. В., Бикадоров В. В., Коваленко А. О., Баранич Ю. В., Гусєнцова Є. С., Соколов В. І., Насонкіна І. К., Щурова І. В.; властник Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля. - u 2007 03434 ; заявл. 29.03.07 ; опубл. 10.08.07, Бюл. № 12.
Авторові належить формулювання формули винаходу, обґрунтування ефективності противосривного пристрою.
15. Пат. на корисну модель 25366 Україна, МПК (2006) F 24 F 7/06. Протизривний пристрій осьового вентилятора / Башков В. М., Андрійчук Г. В., Бикадоров В. В., Коваленко А. О., Баранич Ю. В., Гусєнцова Є. С., Соколов В. І., Насонкіна І. К., Щурова І. В.; властник Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля. - u 2007 02388 ; заявл. 05.03.07 ; опубл. 10.08.07, Бюл. № 12.
Авторові належить формулювання формули винаходу, обґрунтування ефективності противосривного пристрою.
16. Vladimir I. Sokolov. The Stages of Aerosols’ Diffusion in Turbulent Flows / Vladimir I. Sokolov, Alim A. Kovalenko, Inna K. Nasonkina // «MATERIALY VI MIEDZYNARODOWEJ NAUKOWI-PRAKTYCZNEJ KONFERENCJI "Nauka: teoria i praktyka - 2010» 07.08-15.08, 2010 roku. Przemysl: Publishing House “Nauka i studia”, 2010. - P. 95-102.
Авторові належить формулювання завдань дослідження і висновки.
17. Genadiy S. Kaluzhny. The aerosols’ point source of constant intensity in a flow / Genadiy S. Kaluzhny, Alim A. Kovalenko, Inna K. Nasonkina // «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития ‘2010» 04.10-15.10, 2010 года. - Одесса: Черноморье, 2010. - 94-100.
Авторові належить аналіз результатів дослідження та висновки.