РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗОН ТУРБОФОРЕТИЧЕСКОГО ОСАЖЕНИЯ ЧАСТИЦ ПРИ ОБТЕКАНИИ ПРИСТЕННОЙ СТРУЕЙ ПЛАСТИНЫ И СЕТОЧНЫХ КОАГУЛЯТОРОВ
2.1. Разработка схемы комплексной интенсификации турбофоретического переноса частиц
Как уже отмечено ранее, в системе суфлирования газотурбинных двигателей масляный аэрозоль характеризуются полидисперсным составом жидкой фазы. Для очистки от грубодисперсных капель используется струйная ступень очистки - зона удара и разворота струи, для очистки мелких частиц - сеточные коагуляторы. На основе изучения механизмов очистки в струйных статических маслоотделителях разработаны принципы и схема комплексной интенсификации турбофоретического переноса частиц в системе очистки: "начальный участок струи - сеточный коагулятор" (рис. 2.1.).
В ней реализованы традиционные и новые методы интенсификации переноса как грубо - так и высокодисперсных частиц за счет сил инерции, сил турбулентной диффузии, турбофореза, установлена рациональная последовательность использования методов в зависимости от инерционных свойств частиц.
Принципы интенсификации турбофоретического осаждения высокодисперных частиц сводятся к следующему:
к направленной турбулизации потока в пристенной области за счет создания отрывных зон;
размещению в объеме струйного потока системы поверхностей в виде тонких пластин с выступами;
генерации турбулентных пульсаций телами многофункционального назначения с различными размерами препятствий и проходных сечений. Многофункциональность, как отмечалось ранее, выражается в способности
Рис 2.1. Схема комплексной интенсификации турбофоретического переноса частиц в системе очистки: "начальный участок струи - сеточный коагулятор".
Области течения: I - свободной струи; ІІ - градиентного, III - пристенного течения. Слои : П - пристенный; С - струйный.
- инерционное осаждение в зоне удара и разворота;
- турбофоретическое осаждение высокодисперсных частиц:
- в естественной отрывной зоне вдоль оси Х; - за искусственными выступами в отрывных зонах вдоль оси Х; - в первом коагуляторе с диаметром сетки d1 в направлениях j=x,y,z; - во втором коагуляторе с диаметром сетки d2
При реализации разработанной схемы комплексной интенсификации турбофоретического осаждения частиц протекают следующие процессы очистки. В области удара и разворота струи (область ІІ, рис.2.1.) происходит инерционное улавливание грубодисперсных частиц. Для его интенсификации предлагается увеличивать скорость истечения струи из сопла до 25...50 м/с, что резко снижает минимальный диаметр осаждающихся частиц, определяемый по формуле (1.6). Так, при скорости 25 и 50 м/с этот диаметр соответственно составит 3,8 и 2,7 мкм.
Неосажденные частицы диаметром менее 4 мкм направляются на поверхности, которые генерируют отрывные зоны. Так, это область отрыва потока в пристенной части струи на пластине и области обтекания тонких пластин с выступами в зоне струйного потока. Расположение таких пластин позволяет, при использовании повышенных скоростей истечения струи (до 50 м/с) полезно использовать для турбофоретического осаждения частиц возникающие отрывные зоны в объеме до сеточного коагулятора. При этом постепенно снижается скорость потока до рекомендуемых для коагуляторов значений. Для отвода пленки с поверхности пластин используются канавки . Установка пластин с выступами позволит улавливать за счет турбофореза до 20% высокодисперсных частиц, транспортируемых потоком после разворота струи. Для окончательной очистки от микрокапель до требуемых норм, используются многосекционные сеточные коагуляторы, причем в каждой секции содержится не менее шести рядов сеток и диаметры ячеек и проволок сеток в последующих секциях меньше, чем у предыдущих. Это позволяет увеличивать количество генераторов турбулентности и уменьшать по ходу процесса очистки характерные размеры препятствий осаждения, что интенсифицирует инерционное и турбофоретическое осаждение частиц.
2.2. Разработка обобщенной математической модели для
решения задач турбофоретического улавливания частиц при обтекании пластины и коагуляторов
Движение потоков в реальных струйных маслоотделителях, где имеют место значительные градиенты скоростей и концентраций в продольном и поперечном направлениях, описывается эллиптическими дифференциальными уравнениями, которые решаются конечно-разностными методами.
Метод расчета турбулентных потоков при отрывном обтекании пластины и в коагуляторах газоочистных устройств предусматривает последовательную процедуру численного интегрирования уравнений, моделирующих как газообразные вязкие потоки, так и течение струй жидкости. На первом этапе определяются гидродинамические характеристики газообразной фазы с учетом турбулентности потоков, на втором источниковые члены, моделирующие взаимное влияние жидкой и газообразной фаз, а также транспортные характеристики дисперсной фазы и распределение скоростей и траекторий внутри расчетной области. Такие расчеты проводят последовательно до достижения сходимости всех параметров во времени и пространстве.
Для практических приложений наиболее эффективными считают методы, основанные на усреднении системы уравнений в частных производных, описывающих универсальные законы сохранения массы, энергии, импульса в турбулентной системе [29,63]. Эта система должна быть дополнена уравнениями состояния и связи параметров, а также начальными и граничными условиями.
Общее транспортное уравнение переноса переменной величины имеет вид [117]
, (2.1