Тип публикации: статья из журнала
Год издания: 2024
Идентификатор DOI: 10.15518/isjaee.2024.10.110-128
Ключевые слова: modelling, cfd, Reynolds number, drag force, sphere, plate, ANSYS Fluent, моделирование, число Рейнольдса, сила сопротивления, сфера, пластинка
Аннотация: На примере задачи обтекания двух последовательно расположенных тел методами CFD проведена сравнительная оценка условий возможной потери гидродинамической устойчивости низконцентрированного газодисперсного потока при вариации физических свойств частиц в диапазоне, характерном для промышленных энергетических установок на биомассе и ископаемом топливе. Выполнена валидация численной модели ламинарного обтекания одиночных частиц на основе результатов экспериментов Роу и Хенвуда для относительного расстояния между шариками 5, 11, 17 и 23. Показано, что профиль скорости перед первым шариком влияет на соотношение сил, действующих на каждый из шариков. Рассчитано относительное межцентровое расстояние ( x / d )кр, при котором отношение силы, действующей на вторую частицу ( F 2) к силе, действующей на первую частицу ( F 1), равно 0,95 (начало сближения) в условиях установившегося равномерного течения газа в элементарной трубке потока бесконечно большого поточного реактора для частиц сферической и пластинчатой формы. В диапазоне чисел Рейнольдса 2,0·10-1…3,2·103 определено влияние плотности, линейных размеров и формы на соответствующую ( x / d )кр объемную концентрацию φкр. Также для сфер рассмотрено соотношение сил F 2/ F 1 = 0,90, что позволило установить переходную зону между поточными установками и котлами с ЦКС. Результаты моделирования обтекания газом двух пластинок с тремя различными ориентациями относительно набегающего потока показывают, что взаимная ориентация пластинчатых частиц в потоке влияет на их гидродинамическое взаимодействие, повышая риск сближения в случае ориентации частиц наибольшей гранью перпендикулярно набегающему потоку и понижая риск сближения в случае ориентации частиц наименьшей гранью перпендикулярно набегающему потоку, относительно сценария обтекания двух сфер эквивалентного диаметра. Действенность предложенного метода прошла проверку при анализе ряда объектов, включающих энергетические котлы, промышленные газификаторы и крупные стендовые установки. Computational fluid dynamics (CFD) methods were used to analyze the flow around two sequentially arranged bodies. A comparative assessment was conducted to determine the conditions under which hydrodynamic instability may occur in low-concentration gas-dispersed flows. Variations in the physical properties of particles, typical of those found in industrial biomass and fossil fuel energy installations, were considered in this assessment. The numerical model for laminar flow around individual particles was validated using the experimental data of Rowe and Henwood for dimensionless intersphere distance of 5, 11, 17, and 23. It was demonstrated that the velocity profile upstream of the first sphere influences the ratio of forces acting on each sphere. The critical dimensionless center-to-center distance ( x / d )кр was calculated, at which the ratio of the force acting on the second particle ( F 2) to that on the first particle ( F 1) equals 0,95 (indicating the onset of convergence), under steady uniform gas flow conditions in an elemental streamtube of an ideal entrained-flow reactor for particles of spherical and plate-like shapes. Within the Reynolds number range 2,0·10-1…3,2·103, the influence of particle density, size, and shape on the corresponding critical volume concentration φкр and ( x / d )кр was determined. Additionally, for spheres, the force ratio F 2/ F 1 = 0,90 was considered, which allowed to establish the transition zone between entrained-flow systems and circulating fluidized bed (CFB) boilers. Simulations of gas flow around two plates with three different orientations relative to the incoming flow were conducted. The results demonstrate that the mutual orientation of plate-like particles in the flow affects their hydrodynamic interaction. Specifically, compared to the scenario of flow around two spheres of equivalent diameter, the risk of convergence increases when the particles are oriented with their largest face perpendicular to the incoming flow, and decreases when they are oriented with their smallest face perpendicular to the incoming flow. The effectiveness of the proposed method was verified by analyzing a range of systems, including power boilers, industrial gasifiers, and large-scale test installations.
Журнал: Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология
Выпуск журнала: № 10
Номера страниц: 110-128
ISSN журнала: 16088298
Место издания: Саров
Издатель: Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр ТАТА