Effect of turbulent pulsations on the fractional separation of fine powders of metal nitrides.pdf На сегодняшний день практически все промышленные отрасли для решения своих задач в том или ином виде используют мелкодисперсные порошки. Однако, к качеству таких порошков предъявляется ряд жестких требований, в том числе такие требования предъявляются к однородности грансостава. Для многих технологических процессов гранулометрический состав играет ключевую роль. Одним из примеров таких технологий могут служить аддитивные технологии, где размер порошковых частиц непосредственно влияет на подбор режимных параметров спекания и, как следствие, на качество получаемого изделия. Такие изделия применяются в аэрокосмической отрасли, энергетике и ряде других отраслей, где малейшее изменение технологического процесса может привести к серьезным последствиям. Основываясь на мировом опыте можно утверждать, что на сегодняшний день пневматические методы остаются наиболее безопасными и эффективными методами получения однородных порошковых материалов. Однако, несмотря на достаточно продолжительное развитие таких методов, они далеки до полного их изучения. Фундаментальные исследования в области двухфазных течений вносят непосредственный вклад в совершенствование пневматических методов и модернизации существующего оборудования с целью повышения остроты сепарации. В настоящей работе рассмотрена сепарационная камера, имеющая в конструкции подвижный элемент, изменение положения которого позволяет влиять на граничный размер и остроту сепарации. Как известно, турбулентные пульсации влияют на аэродинамическую картину и могут вносить в процесс фракционного разделения существенные изменения. В работе рассмотрено влияние турбулентных пульсаций на траектории движения твёрдых частиц различного диаметра. При проведении расчетов в качестве твердой фазы были выбраны нитриды металлов. Данный выбор был основан исходя из следующего. Нитриды металлов 1 Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-3860036. Влияние турбулентных пульсаций на процесс фракционного разделения 71 обладают уникальными физико-химическими свойствами, к которым можно отнести коррозионную стойкость, жаропрочность, износостойкость. Благодаря этим свойствам нитриды металлов имеют высокую прикладную значимость [1, 2]. Наиболее важными возможными направлениями их практического применения является их использование в качестве лигатур для повышения жаропрочности металлических материалов, исходных порошков для получения нитридных керамик и в качестве легирующих добавок для повышения хладостойкости стали. В работе в качестве твёрдой фазы рассматриваются нитриды титана, алюминия, кремния и ванадия, отличающиеся в действительности друг от друга как по плотностям, так и по морфологии. Такой выбор позволяет провести более качественную оценку о влиянии турбулентных пульсаций на процесс фракционного разделения на примере реальных соединений. Физико-математическая постановка задачи В работе рассматривается процесс фракционного разделения в сепарационной камере, имеющей в своей конструкции три существенные особенности, позволяющие влиять на процесс классификации. Схематически данная камера изображена на рис. 1. Главной особенностью является разделительный подвижный элемент, расположенный на выходе сепарационной области, изменение положения которого может влиять на граничный размер и остроту сепарации. Рис. 1. Схема расчетной области Fig. 1. Computational domain Численные исследования [3] показали, что окружная компонента скорости несущего газового потока привносит в аэродинамическую картину течения существенные изменения. Зачастую поле окружной компоненты скорости распределено неравномерно. Второй особенностью рассматриваемой сепарационной камеры является наличие вращающегося элемента вдоль вертикальной оси 0z. Данный элемент способствует выравниванию поля окружной компоненты скорости. Третьей особенностью данной камеры является наличие патрубка для подвода вспомогательного газового потока (сечение 2-2). Такой поток имеет две основные функции: служит для оттеснения частиц от стенки камеры, а также для продува разделяемых частиц, с целью предотвращения агломерации. Таким образом, принцип работы вихревой камеры следующий. Закрученный вязкий газ и порошкообразный материал поступают в зону сепарации (сечение 1-1). Вспомогательный закрученный газовый поток (без твёрдой примеси) подводится при помощи патрубка в сечении 2-2. В выходном сечении имеется подвижный разделительный элемент, который разделяет поток газа на два потока. Более мелкая фракция твёрдых частиц устремляется в сечение 3-3, а более крупная покидает рабочую область через сечение 4-4. Стоит отметить, что твёрдые стенки камеры также могут вращаться вокруг оси 0z. Н.С. Евсеев, И. А. Жуков 72 При расчете допускалось, что газ несжимаемый, так как в реальных центробежных аппаратах скорости несущей среды и перепад давления малы [4]. Аналогично работе [5] при моделировании аэродинамики закрученного турбулентного потока использовалась система уравнений Рейнольдса. Данная задача решалась в цилиндрической системе координат для случая осевой симметрии (относительно 0z). Замыкание уравнений Рейнольдса проводилось на основе обобщенной модели Буссинеска. В данной модели считается, что тензор турбулентных напряжений пропорционален тензору скоростей деформаций с точностью до коэффициента турбулентной вязкости [5]. Опустив некоторые математические выводы [5], представим систему уравнений Рейнольдса в безразмерном виде: 4- (urr )+d- (uzr ) =0; () dr dz drur дт = u dp 1 - r - + - dr Re dvt dur dvt duz dr dr dz dr (i+vt) (2) dru^ dr 2 Ф _d_ dz 1 + - (ru22 Г d_ Re \\dr , , du. d , , duz r (1 + vt )~r _ dr _ + - dz r (1+Vt )~dzz dp r = -r - + - dz Re dvt dur dvt duz dr dz dz dz (3) dru* dr д , \\ d ( \\ 1 Г d --\\ruru.B) +-(ruzu.B)--< - dr'' Ф dz' Ф Re |dr du* d du* r (1 + vt )-:* dr + - dz r ( + vt bf Ф (1+vt ^+uФ = -uru Ф 1 Re

Скачать электронную версию публикации