Исследование поведения частиц в потоке
Содержание
Описание
Это исследование представляет собой вторую часть магистерской работы Евгения Витохина - Разработка аналитических и компьютерных моделей для описания динамических процессов в полимерах и агломератах частиц . Данная работа выполняется в рамках Гамбургского проекта при поддержке стипендиальной программы "Леонард Эйлер" немецкой службы академических обменов (DAAD).
Участники
Стипендиат: Е. Витохин
Руководители со стороны СПбГПУ: А.М. Кривцов, В.А. Кузькин
Руководители со стороны ТУГХ: С. Хайнриш, С. Антонюк
Цель работы
Рассмотрим случай полета частицы или агломерата частиц в потоке и последующее столкновение его с жесткой преградой. Необходимо исследовать: 1) вероятность разрушения, 2) распределение фрагментов частиц по размерам в зависимости от кинетической энергии удара, 3) области энергии разрушения, 4) зависимость скорости воздуха от координаты в экспериментальной установке, 5) скорости частиц в зависимости от пути, 6) зависимость скорости частиц от скорости воздуха.
Выше перечисленные цели будут достигаться с помощью экспериментов и численного моделирования.
Аннотация
В рамках данной работы необходимо исследовать деформационное поведение кластера частиц при ударе о твёрдую стенку. В качестве материала для этого исследования может быть использованы зерна кофе и измельченное кофе. В кластер также входит связующее из метилцелюлозы. Вероятность и механизм разрушения могут быть определены с помощью пневматической пушки (рис.) в зависимости от энергии столкновения. Прибор позволяет производить как прямое, так и косое столкновение со скоростями удара в интервале от 5 до 40 м/с.
Эти экспериментальные данные могут быть использованы для описания разрушения в рамках метода дискретных элементов. В DEM модели каждый отдельный кластер частиц должен моделироваться как одна целая сферическая частица, свойства которой должны соответствовать реальному кластеру. Разрушение кластера зависит от условий заданных в аппарате. DEM моделирование должно быть связано с методами вычислительной гидродинамики (CFD), которая описывает течение жидкой фазы в расчетной области. Основной задачей работы является исследование балланса массы при столкновении с учетом диссипации энергии. Диссипация может быть определена экспериментально с помощью опытов на удар, падение или сжатие. Механизм разрушения может быть подробно рассмотрен с помощью высокоскоростной камеры.
Содержание работы
- Исследование газодинамики двухфазного потока пневматической пушки
- Построение компьютерной модели пневматической пушки и разбиение ее на сетку
- Моделирование во Fluent движение потока воздуха в трубе и обтекание им стенки
- Построение силы сопротивления с помощью полученных скоростей воздуха из расчета в Fluent
- Расчет движения частиц в пневматической пушке под действием силы сопротивления
- Сопряженный расчет в Fluent и EDEM
- Исследование разрушения частиц
- Подготовка пробы
- Испытание на удар зерен кофе и измельченного кофе с помощью пневматической пушки
- Нахождение функции распределения и плотности распределения частиц
- Определение зависимости скоростей частиц от скорости воздуха
- Нахождение вероятности разрушения частиц в зависимости от кинетической энергии удара
Результаты
Проведено численное и экспериментальное исследование движения и разрушения частиц и их агломератов.
В ходе численного моделирования было изучено движение воздуха и частиц в пневматической пушке. Решена газодинамическая задача и определена аналитическая зависимость скорости воздуха от координаты. Построена сила аэродинамического сопротивления. С использованием двух различных численных методов решена задача о движении частиц в пневматической пушке (методом дискретных элементов под действием силы сопротивления и методом сопряженного решения) и получена зависимость скорости частиц от координаты.
В итоге экспериментального исследования был изучен процесс разрушения агломератов частиц при соударении их с жесткой стенкой в пневматической пушке. Были получены функции распределения и плотности распределения частиц в зависимости от их размеров после удара. С помощью высокоскоростной камеры и лазерных детекторов определена зависимость скорости частиц от скорости воздуха в ускорительной трубе и камере удара и вычислена вероятность разрушения в зависимости от кинетической энергии удара частиц.
