Печать

PDF Скачать статью в pdf.

DOI: 10.15507/2658-4123.035.202504.786-807

EDN: https://elibrary.ru/zeixmj

УДК 53:519.7

 

Численное исследование влияния направления вдува капель на поглощение частиц пыли

 

Тукмаков Алексей Львович
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник института механики и машиностроения Федерального исследовательского центра «Казанский научный центр Российской академии наук», (420100, Российская Федерация, г. Казань, ул. Лобачевского д. 2), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8570-4140, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Тукмаков Дмитрий Алексеевич
кандидат физико-математических наук, научный сотрудник института механики и машиностроения Федерального исследовательского центра «Казанский научный центр Российской академии наук» (420100, Российская Федерация, г. Казань, ул. Лобачевского д. 2), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0335-8548, Researcher ID: K-6563-2014, Scopus ID: 55776164300, SPIN-код: 3556-8576, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

 

Аннотация
Введение. Одной из наиболее эффективных технологий очистки газа от дисперсных примесей является жидкостная очистка, обусловленная неспособностью инерционных сепараторов улавливать мелкодисперсные частицы. В связи с этим возникает проблема повышения эффективности очистки газодисперсных сред указанным способом. Одним из направлений решения данной задачи является определение угла вдува капельных фракций, при котором процесс коагуляции будет наиболее результативным.
Цель исследования. Изучение влияния направления вдува струи капельных фракций на интенсивность процесса поглощения твердодисперсных частиц каплями жидкости.
Материалы и методы. Для описания течения многофазной среды применялась континуальная методика моделирования динамики неоднородных сред, в которой предполагалось решение полной гидродинамической системы уравнений движения для каждой из компонент смеси. Дисперсная фаза моделировалась как многофракционная полидисперсная, где фракции отличались плотностью материала и размером дисперсных включений. Учитывался межфазный теплообмен и обмен импульсом, включавший в себя силу аэродинамического сопротивления, динамическую силу Архимеда и силу присоединенных масс. Динамика несущей среды описывалась системой уравнений Навье – Стокса для вязкого, сжимаемого теплопроводного газа. Математическая модель учитывала столкновительную коагуляцию частиц различных фракций. Система уравнений математической модели дополнялась граничными условиями. Для интегрирования уравнений применялся явный конечно-разностный метод, для преодоления численных осцилляций – схема нелинейной коррекции.
Результаты исследования. Смоделирован вдув капельных фракций в поток запыленной под разными углами к стенке канала. Наиболее интенсивное убывание средней плотности пылевой фракции наблюдается для угла φ = π/2. Для углов вдува газокапельного потока φ и π–φ близки распределения объемных содержаний пылевой фракции. Для широкого диапазона размера капельных фракций наибольшая величина скоростного скольжения наблюдается при вдуве капельного потока перпендикулярно направлению потока запыленной среды.
Обсуждение и заключение. Выявленные закономерности позволяют определить направление вдува капельных фракций, при котором происходит наиболее интенсивное поглощение твердодисперсных частиц. Полученные результаты представляют практическую ценность для задач оптимизации технологий жидкостной очистки газодисперсных сред. Установлено, что угол вдува может существенно повысить интенсивность коагуляции дисперсных включений различных фракций. В перспективе полученные данные могут быть использованы для увеличения эффективности работы газожидкостных фильтров.

Ключевые слова: промышленная экология, жидкостная очистка дисперсных сред, численное моделирование, коагуляция, многофазная среда, полидисперсная газовзвесь

Финансирование: Исследование выполнено в рамках государственного задания Федерального исследовательского центра «Казанский научный центр Российской академии наук», 2025 г.

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Для цитирования: Тукмаков А.Л., Тукмаков Д.А. Численное исследование влияния направления вдува капель на поглощение частиц пыли. Инженерные технологии и системы. 2025;35(4):786–807. https://doi.org/10.15507/2658-4123.035.202504.786-807

Вклад авторов:
А. Л. Тукмаков – разработка или проектирование методологии исследований, создание моделей.
Д. А. Тукмаков – осуществление научно-исследовательского процесса, включая выполнение сбора данных; создание и подготовка рукописи: визуализация результатов исследования.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Поступила в редакцию 27.12.2024;
поступила после рецензирования 16.06.2025;
принята к публикации 11.08.2025

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Жалнин Р.В., Масягин В.Ф., Пескова Е.Е., Тишкин В.Ф. Моделирование дозвуковых многокомпонентных реагирующих газовых потоков на неструктурированных сетках. Инженерные технологии и системы. 2020;30(1):162–175. https://doi.org/10.15507/2658-4123.030.202001.162-175
  2. Вараксин А.Ю. Двухфазные потоки с твердыми частицами, каплями и пузырями: проблемы и результаты исследований (обзор). Теплофизика высоких температур. 2020;58(4):646–669. https://doi.org/10.31857/S004036442004016X
  3. Пахомов М.А., Терехов В.И. Распределение концентрации частиц в газокапельном ограниченном закрученном потоке. Эйлеров и Лагранжев подходы. Теплофизика высоких температур. 2020;58(6):896–900. https://doi.org/10.31857/S0040364420060149
  4. Вараксин А.Ю., Протасов М.В. О влиянии вдува газа на защиту поверхностей тел, обтекаемых двухфазным потоком. Теплофизика высоких температур. 2017;55(6):785–788. https://doi.org/10.7868/S0040364417060151
  5. Волков К.Н. Нестационарное турбулентное течение газовзвеси в канале при наличии вдува в условиях вынужденных колебаний давления. Прикладная механика и техническая физика. 2013;54(2):65–80. URL: https://sibran.ru/journals/issue.php?ID=148528 (дата обращения: 15.02.2022).
  6. Лаптев А.Г., Лаптева Е.А. Математическая модель и теплогидравлические характеристики насадочных скрубберов конденсационного охлаждения газа. Инженерно-физический журнал. 2022;95(1):259–266. URL: http://www.itmo.by/publications/jepter/bibl/?ELEMENT_ID=20274 (дата обращения: 22.02.2022).
  7. Wu L., Lei S., Wang Y., Yang S., Lin X., Wang H. A Highly Efficient Biomass Compound Aerosol Suppressant in Purifying Radioactive Cesium Droplet Aerosols. Molecules. 2022;27(19):6480. https://doi.org/10.3390/molecules27196480
  8. Шрайбер А.А., Фединчик И.В., Протасов М.В. О влиянии турбулентности газового потока на эффективность улавливания частиц в скруббере Вентури. Теплофизика высоких температур. 2015;53(1):85–90. https://doi.org/10.7868/S0040364414060143
  9. Макаров В.Н., Угольников А.В., Макаров Н.В., Боярских Г.А. Повышение эффективности пылеулавливания. Горный журнал. 2022;(8):62–70. https://doi.org/10.17580/gzh.2022.08.09
  10. Косарев Н.П., Макаров В.Н., Угольников А.В., Макаров Н.В., Дылдин Г.П. Шахтная аэрология
  11. пылевых аэрозолей в условиях гидровихревой коагуляции. Известия Уральского государственного горного университета. 2020;(4):155–165. https://doi.org/10.21440/2307-2091-2020-4-155-165
  12. Suresh V., Liu Z., Perry Z., Gopalakrishnan R. Modeling Particle-Particle Binary Coagulation Rate Constants for Spherical Aerosol Particles at High Volume Fractions Using Langevin Dynamics Simulations. Journal of Aerosol Science. 2022;164:106001.
  13. https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2022.106001
  14. Zhou D., Liu X., Yang S., Hou Y., Zhong X. Collision Dynamics of Two Liquid Nitrogen Droplets Under a Low-Temperature Condition. Cryogenics. 2022;124:103478. https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2022.103478
  15. Amanbaev T.R., Tilleuov G.E., Zuparbekova A. Mathematical Modeling of Dispersed Media Flows in the Presence of Nucleation, Coagulation and Phase Transitions. Bulletin of the Karaganda University. Physics Series. 2021;102(2):14–24. https://doi.org/10.31489/2021ph2/14-24
  16. Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Доровских Р.С., Нестеров В.А., Голых Р.Н. Моделирование процесса мокрой очистки газов с наложением ультразвуковых полей. Южно-Сибирский научный вестник. 2017;(4):57–63. URL: http://s-sibsb.ru/issues/53-2017-issues/issue-20/258-13 (дата обращения: 20.02.2022).
  17. Тимофеева М.В. Влияние коагуляции капель воды на их распределение по размерам в рабочей части аэрохолодильной установки. Журнал технической физики. 2019;89(4):491–496. https://doi.org/10.21883/JTF.2019.04.47301.11-18
  18. Wang L.P. Coagulation in Turbulent Particle-Laden Flows. Modeling Approaches and Computational Methods for Particle-Laden Turbulent Flows. 2023:111–145. https://doi.org/10.1016/B978-0-32-390133-8.00012-8
  19. Lerotholi L., Everson R.C., Hattingh B.B., Koech L., Roux I.L., Neomagus H.W.J.P. и др. Computational Fluid Dynamics Modeling and Analysis of Lime Slurry Drying in a Laboratory Spray Dry Scrubber. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2024;63(48):21038–21061. URL: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.4c02014 (дата обращения: 20.02.2022).
  20. Schlager M., Baumfrisch M., Haushofer G., Wolf-Zöllner V., Lehner M. Mass Transfer Model of Packed Seawater Scrubbers for Marine Exhaust Gas Cleaning. Chemical Engineering Research and Design. 2023;192:128–140. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2023.02.024
  21. Avinasilingam M., Gopalsamy S. Studies on Venturi Scrubber Performance and Efficiency-A Review. Journal of Advanced Mechanical Sciences. 2022;1(1):14–20. URL: http://research.jamsjournal.com/index.php/jamsjournal/article/view/5 (дата обращения: 25.02.2022).
  22. Тукмаков А.Л. Модель динамики дисперсных фракций во встречных потоках металлопорошка и полимера при образовании композитного материала. Теплофизика высоких температур. 2021;59(3):415–421. https://doi.org/10.31857/S0040364421020125
  23. Тукмаков А.Л., Тукмаков Д.А. Динамика заряженной газовзвеси с начальным пространственно неравномерным распределением средней плотности дисперсной фазы при переходе к равновесному состоянию. Теплофизика высоких температур. 2017;55(4):509–512. https://doi.org/10.7868/S004036441703022X
  24. Tukmakov D.A. Numerical Investigation of the Influence of Properties of the Gas Component of a Suspension of Solid Particles on the Spreading of a Compressed Gas-Suspension Volume in a Binary Medium. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2020;93(2):291–297. https://doi.org/10.1007/s10891-020-02120-9
  25. Тукмаков А.Л., Тукмаков Д.А. Численное исследование влияния параметров дисперсных частиц на осаждение твердой фазы электрически заряженной полидисперсной газовзвеси. Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2022;22(1):90–102. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2022-22-1-90-102
  26. Tukmakov D.A. One-Dimensional Unsteady Numerical Model of Gas Suspension Flow Caused by Gravitational Sedimentation of Particles with a Constant Velocity. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2022;63(7):1218–1226. URL: https://link.springer.com/article/10.1134/S0021894422070148 (дата обращения: 25.02.2022).
  27. Tukmakov D.A. Numerical Simulation of Oscillations of Aerosol with a Low Dispersed Phase Concentration in a Closed Tube by the Continuum Mathematical Model. Technical Physics. 2022;67(2):764–770. https://doi.org/10.1134/S1063784222110032
  28. Музафаров И.Ф., Утюжников С.В. Применение компактных разностных схем к исследованию нестационарных течений сжимаемого газа. Математическое моделирование. 1993;5(3):74–83. URL: https://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=mm&paperid=1962&option_lang=rus (дата обращения: 26.02.2022).
  29. Тукмаков А.Л. Возникновение синфазных колебаний тонких пластин при аэроупругом взаимодействии. Прикладная механика и техническая физика. 2003;44(1):77–82. URL: https://sibran.ru/journals/issue.php?ID=120006&ARTICLE_ID=121760 (дата обращения: 26.02.2022).

 

 

Лицензия Creative Commons
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

Подробности
Просмотров: 5