Моделювання та оптимізація процесу очищення повітря від зернового пилу засобами обчислювальної гідрогазодинаміки

МОДЕЛЮВАННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ПРОЦЕСУ ОЧИЩЕННЯ ПОВІТРЯ ВІД ЗЕРНОВОГО ПИЛУ ЗАСОБАМИ ОБЧИСЛЮВАЛЬНОЇ ГІДРОГАЗОДИНАМІКИ

MODELING AND OPTIMIZATION OF THE PROCESS OF AIR PURIFICATION FROM GRAIN DUST BY MEANS OF COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

Сторінки: 100-104. Номер: №3, 2021 (297)
Автори:
М.В. МАРЧЕНКО, В.О. ХАРЖЕВСЬКИЙ, О.О. КОРОТИЧ
Хмельницький національний університет
В.О. ГЕРАСИМЕНКО
Сумський національний аграрний університет
MAKSYM V. MARCHENKO, VIACHESLAV O. KHARZHEVSKYI, OLHA O. KOROTYCH
Khmelnytskyi National University
VLADYSLAV O. HERASYMENKO
Sumy National Agrarian University
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2021-297-3-100-104
Надійшла / Paper received :  20.05.2021 р
Надрукована / Paper Printed : 30.06.2021 р

Анотація мовою оригіналу

Стаття присвячена розробці узагальнених методів розрахунку, моделювання та оптимізації параметрів циклонів, що використовуються для очищення повітря від зернового пилу. Основою розроблених методів є використання засобів обчислювальної гідрогазодинаміки, зокрема програмного комплексу SOLIDWORKS та інтегрованого CFD-додатку SOLIDWORKS Flow Simulation, а також принципів теорії подібності та розмірностей. У якості критерія оптимізації було обрано коефіцієнт ефективності осаджування – відношення маси осаджених часток до загальної маси часток зернового пилу, що поступає в робочий об’єм циклона. За допомогою SOLIDWORKS створена параметризована твердотільна модель циклона з необхідними елементами адаптації до подальшого вивчення газодинамічних процесів. Досліджувалась залежність ефективності осаджування від різноманітних параметрів, що піддаються оптимізації, зокрема від тиску на вхідному та вихідному патрубках циклона; об’ємних витрат повітря, що підлягає очищенню; конструктивних розмірів робочої камери циклона тощо. Використання методів імітаційного моделювання дозволило отримати розширену базу даних параметрів оптимізації та значень цільової функції, що їм відповідають. Узагальнити отриманий масив даних у вигляді безрозмірних критеріїв дозволив аналіз розмірностей величин, що впливають на ефективність осаджування. За допомогою основ теорії подібності встановлено вид функціональної залежності між критеріями подібності. Сталі параметри зазначеної степеневої функції визначені за допомогою двовимірної апроксимації з використанням пакету для математичних розрахунків Mathcad 15. Отримана математична модель дозволяє здійснювати вибір оптимальних режимів роботи (об’ємних витрат повітря, тисків на вході ті виході циклона тощо) залежно від конструкції та розмірів циклона, максимізуючи при цьому ефективність осаджування зернового пилу.
Ключові слова: осаджування, циклон, обчислювальна гідрогазодинаміка, оптимізація.

Розширена анотація англійською мовою

The article is dedicated to the development of generalized methods of calculation, modeling and optimization of the cyclones’ parameters that are used to clean the air from the grain dust. The basis of the developed methods is the usage of computational hydraulic gas dynamics, in particular the SOLIDWORKS software package and the integrated CFD-package SOLIDWORKS Flow Simulation, as well as the principles of theory of similarity and dimensions. The deposition efficiency coefficient was chosen as the optimization criterion that can be calculated as the ratio of the mass of deposited particles to the total mass of grain dust particles entering the working volume of the cyclone. By means of SOLIDWORKS, a parametrized solid model of cyclone with the necessary elements of adaptation for further study of gas-dynamic processes was created. The dependence of the deposition efficiency on various parameters that can be optimized, in particular, on the pressure at the inlet and outlet nozzles of the cyclone was studied; volumetric flow rate of air to be purified; design dimensions of the working chamber of the cyclone etc. The usage of the simulation methods allowed to obtain an extended database of optimization parameters and values of the objective function that correspond to them. The generalization of the obtained data set in the form of dimensionless criteria was enabled by the analysis of the dimensions of the quantities that affect the deposition efficiency. Using the basics of similarity theory, the type of functional dependence between similarity criteria was established. The constant parameters of the mentioned power function are determined using a two-dimensional approximation using a software package for mathematical calculations – Mathcad 15. The obtained mathematical model allows to select the optimal operating modes (volumetric air flow, inlet and outlet pressures of cyclone etc.) depending on the design and the size of the cyclone that allows to maximize the efficiency of grain dust deposition.
Key words: deposition, cyclone, computational fluid dynamics, optimization.

References

1. Hoffmann A.C. Gas Cyclones and Swirl Tubes: Principles, Design, and Operation / A.C. Hoffmann, L.E. Stein – Berlin: Springer, 2008. – 334 p.
2. Maystruk V. V., Gavryliv R. I., Maystruk I. M., Fatures of determination of geometrical sizes of cyclones with spiral sending vehicle and their influence are on hydraulic resistance // Visnyk Natsionalnoho universytetu “Lvivska politekhnika” Optymizatsiia vyrobnychykh protsesiv i tekhnichnyi kontrol u mashynobuduvanni ta pryladobuduvanni. – Lviv, 2014. № 786. – S. 49–52.
3. Naumkin A. The characteristic and separation effects in a cylindrical cyclone dust collector. International Youth Scientific Conference on Heat and Mass Transfer in the Thermal Control System of Technical and Technological Energy Equipment, 2017; Tomsk; Vol. 110. Рр. 126-127.
4. Vatin N. I., Sagittarius K. I. Air purification using cyclone type apparatuses. Young Scientist. 2017. Is. 13. Р. 165-168.
5. Alyamovskij A.A. Kompyuternoe modelirovanie v inzhenernoj praktike / A.A. Alyamovskij, A.A. Sobachkin, E.V. Odincov. – SPb. : BHV-Peterburg, 2005. 800 s.
6. Maistruk V.V. Otsinka enerhozatrat pry roboti priamotechiinoho tsyklonu za dopomohoiu prohramnoho paketu Flow Simulation / V.V. Maistruk, R.I. Havryliv, A.S. Popil, A.M. Basistyi // Vostochno-Evropeiskyi zhurnal peredovыkh tekhnolohyi. – Kharkiv. – 2012. – Vyp. 6/8(60). – S. 28-30.
7. Makarov E. Inzhenernye raschety v Mathcad 15: uchebnyj kurs / E. Makarov – SPb.: Piter, 2011. – 400 s.
8. Marchenko M. V. Parametrychna optymizatsiia hidrodynamichnykh ta teplovykh parametriv teploobminnoho obladnannia metodamy teorii podibnosti ta rozmirnostei / M. V. Marchenko, V. O. Kharzhevskyi // Visnyk Khmelnytskoho natsionalnoho universytetu. Tekhnichni nauky. – 2020. – № 5. – S. 172-176.
9. Sedov L. I. Metody podobiya i razmernosti v mehanike / Sedov L. I. – M.: Nauka, 1987. – 423 s.
10. Kharchenko S.A. Efektyvnist ochyshchennia zapylenoho povitrianoho potoku tsyklonamy na zernopererobnykh pidpryiemstvakh / S.A. Kharchenko, Ye.A. Haiek // Naukovyi zhurnal «Inzheneriia pryrodokorystuvannia». – Kharkiv, 2018, № 1(9), – S. 79-82.