Особенности влияния пористой вставки на гидродинамику потока в шахте газогенератора

ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ПОРИСТОЙ ВСТАВКИ НА ГИДРОДИНАМИКУ ПОТОКА В ШАХТЕ ГАЗОГЕНЕРАТОРА

1, студент гр. 5БМ41

1,2, д. ф.-м. н., проф.

1Томский политехнический университет, 634050, г. Томск, пр. Ленина,30,

2Томский государственный университет, 634050, г. Томск, пр. Ленина,36

E-mail: *****@***ru

Введение.

Получение и использование энергии является неотъемлемой частью существования человека в XXI веке. Ввиду ограниченности запасов природного топлива на планете газификация угля, как источник получения альтернативного топлива, становится приоритетным направлением развития энергетики. Наиболее распространенным и актуальным способом газификации угля, применимым в промышленном масштабе, на данный момент является газификация в плотном слое. Данный способ предусматривает медленное движение частиц вниз по шахте газогенератора под действием сил тяжести с противоточным потоком паровоздушной смеси. Однако процесс трансформации углей в газ является трудоемким как теоретически, так и экспериментально, поэтому математическое моделирование процесса газификации твердого топлива представляет собой важную задачу, поскольку может быть применено для определения характеристик процесса на этапе проектирования [1].

Целью данной работы является численное моделирование гидродинамики в шахте газогенератора при наличии неподвижной пористой вставки.

Постановка задачи.

В настоящей работе рассматривается двумерная модель канала газогенератора, представленного на рис. 1. Засыпка угля высотой 525 мм считается пористой вставкой. Воздух движется сверху вниз, со скоростью во входном сечении равной 40 м/с.

Математическая модель, описывающая турбулентную вынужденную конвекцию в канале газогенератора, включает в себя уравнения неразрывности и Рейнольдса осредненного турбулентного движения. Следует отметить, что в качестве замыкающей модели турбулентности использовалась realizable k-ε модель [2, 3]. Моделирование пористой вставки проводилось как на основе модели Дарси эффективной среды [4], так и с использованием подхода дискретности пористой среды. Особенностью второго приближения является необходимость описания отдельных элементов пористой вставки, которые в настоящей работе представлялись частицами угля сферической формы, расположенными определенным образом внутри канала (рис. 2).

Рис. 1. Моделируемая область шахты газогенератора	Рис. 2. Расположение элементов пористой вставки

Численная реализация турбулентных режимов течения в канале газогенератора была проведена с помощью пакета вычислительной гидродинамики «Fluent» [5]. Геометрическая модель с конечно-элементной сеткой (треугольная сетка с шагом 1 мм) была создана в препроцессоре «Gambit» [6]. Созданная область далее экспортировалась в программный пакет «Fluent», где полностью определялись характеристики внутренней среды, граничные условия и параметры численной методики. Необходимо отметить, что для аппроксимации конвективных слагаемых использовалась противопоточная схема QUICK. При дискретизации уравнения Пуассона для давления использовалась схема PRESTO. Совместное определение полей скорости и давления проходило на основе алгоритма SIMPLE.

В результате был проведен анализ влияния пористой вставки внутри канала газогенератора на структуру течения. Были рассмотрены четыре варианта описания пористой вставки:

a)  модель Дарси, описывающая течение воздушного потока в пористой среде пылеугольных частиц;

b)  идеализированное расположение пылеугольных частиц сферической формы диаметром d = 7 мм в шахте газогенератора на расстоянии d/4 друг от друга; в результате было использовано 1139 частиц (рис. 2);

c)  расстояние между частицами в каждом ряду было увеличено в 6 раз за счет исключения четных частиц из каждого ряда (621 частица);

d)  расстояние между рядами частиц было увеличено в 6 раз за счет исключения четных рядов (578 частиц).

Следует отметить, что пористая среда в программном комплексе «Fluent» моделируется путем добавления источникового слагаемого в векторное уравнение движения. Это слагаемое состоит из двух частей – вязкостного и инерционного сопротивления. Закон Дарси подразумевает, что скорость жидкости в любой точке пористой среды прямо пропорциональна градиенту давления в этой точке и инерционное сопротивление отсутствует: , где α – проницаемость пористой среды, м2; μ – динамическая вязкость жидкости, кг/(м·с).

В вариантах b), c) и d) использование пористой модели не предполагалось. При этом имитация пористой вставки осуществлялась путем расположения окружностей, заменяющих реальные частицы угля.

Анализ результатов.

В качестве сравниваемых параметров выбраны профиль скорости воздушного потока на выходе из шахты и коэффициент поверхностного трения на стенке газогенератора, граничащей с пористым материалом. На рис. 3 представлены профили скорости в выходном сечении, соответствующие каждому из моделируемых случаев а)–d).

Распределение скорости в выходном сечении канала газогенератора при использовании модели Дарси имеет достаточно равномерный характер. Наблюдаемые немонотонности в профиле скорости обусловлены турбулентным характером течения воздуха. Следует отметить, что такой осредненный профиль скорости отражает использование эффективной модели пористой изотропной среды без учета реального распределения элементов твердого скелета и пор. Увеличение скорости потока на выходе по сравнению с входным значением обусловлено как сужением канала, так и наличием дополнительного сопротивления среды. Подобный профиль скорости удалось получить при расположении идеальных пылеугольных частиц диаметра 7 мм на расстоянии 10.5 мм друг от друга (рис. 3с). Немонотонное распределение скорости в случае использования подхода дискретности пористой среды обусловлено тем, что поток воздуха, проходящий между частицами в последнем ряду, приобретает бо́льшую скорость за счет местного сужения.

а) c)

b) d)

Рис. 3. Профиль скорости в выходном сечении канала в соответствии с моделируемыми случаями a)–d)

В случае использования максимального b) и минимального d) количества идеальных пылеугольных частиц с одинаковым расстоянием между частицами в каждом ряду существенное немонотонное изменение скорости отражает влияние малого зазора между соседними частицами на гидродинамику. Увеличивая это расстояние в шесть раз с), наблюдается значительное выравнивание профиля, приближающегося к результатам использования модели Дарси а).

На рис. 4 представлены распределения коэффициента поверхностного трения на боковой стенке канала в зоне пористой вставки для каждого из моделируемых случаев а)–d). Пульсационный характер распределения коэффициента поверхностного трения обусловлен наличием гидродинамических препятствий внутри среды. Принимая во внимание зависимость τ от локального числа Рейнольдса, можно утверждать, что максимумы τ отражают увеличение скорости потока между стенкой и ближайшим рядом частиц. Число локальных максимумов в таком случае связано с числом рядов частиц. Вследствие локального сужения потока происходит резкое увеличение скорости потока. Таким образом имеем 35 рядов для случаев b) и c) и 18 – для варианта d). Модель Дарси дает более равномерное распределение коэффициента поверхностного трения на стенке.

a) с)

b) d)

Рис. 4. Коэффициент поверхностного трения на стенке канала в соответствии с моделируемыми случаями a)–d)

Работа выполнена в ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI58114X0001.

Список литературы

1.  , Шаманский исследование процесса газификации угля и влияние режимных параметров на его интенсивность // VIII Всероссийская конференция с международным участием «Горение твердого топлива». Институт теплофизики им. СО РАН, 13-16 ноября 2012 г.

2.  Shih T. H., Liou W. W., Shabbir A., Yang Z., Zhu J. A new k-e eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows // Computers Fluids. – 1995. – Vol. 24. – Pp. 227–238.

3.  Kuznetsov G. V., Maksimov V. I., Sheremet M. A. Natural convection in a closed parallelepiped with a local energy source // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. – 2013. – Vol. 54, No. 4. – Pp. 588–595.

4.  Nield D. A., Bejan A. Convection in Porous Media (4th ed.). – New York: Springer, 2013. – 800 p.

5.  , , Матвеев течений жидкостей и газов с помощью универсального программного комплекса Fluent. – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2009. – 151 с.

6.  , , Матвеев расчетных моделей в препроцессоре Gambit универсального программного комплекса Fluent. – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2009. – 172 с.