ЧЕРВЯКОВ Виктор Михайлович

Теоретические основы методов расчета роторных аппаратов с учетом нестационарных гидродинамических течений

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы

(химическая промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Тамбов 2007

Работа выполнена на кафедре «Теория машин, механизмов и детали машин» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет»

Научный консультант доктор технических наук, профессор Воробьев Юрий Валентинович

Официальные оппоненты Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Холпанов Леонид Петрович;

доктор технических наук, профессор Зимин Алексей Иванович;

доктор технических наук, профессор Першин Владимир Федорович

Ведущая организация ГОУ ВПО Московский государственный университет инженерной экологии (МГУИЭ), г. Москва

Защита диссертации состоится «24» октября 2007 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета по присуждению ученой степени доктора технических наук Д 212.260.02 в Тамбовском государственном техническом университете по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 60.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент

В.М. Нечаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Роторные аппараты с модуляцией потока обрабатываемой среды с высокой эффективностью используют в различных гидромеханических, химических, тепло-массообменных процессах, например, в процессах диспергирования, растворения, экстракции и т.д. Они характеризуются низкой удельной энерго- и металлоёмкостью при высоком качестве получаемого готового продукта. Высокая степень воздействия на обрабатываемую среду объясняется развитой турбулентностью, интенсивной акустической импульсной кавитацией, большими сдвиговыми напряжениями, гидравлическими ударами и другими механическими воздействиями. Теоретическое и экспериментальное исследование, внедрение роторных аппаратов в промышленность провели отечественные учёные М.А. Балабудкин, А.А. Барам, А.М. Балабышко, В.И. Биглер, П.П. Дерко, А.И. Зимин, Г.Е. Иванец, Е.А. Мандрыка, В.А. Плотников, М.А. Промтов, О.А. Трошкин, В.М. Фридман, В.Ф. Юдаев и многие другие.

Сложность гидромеханических нелинейных процессов трансформации плотности энергии в аппаратах затрудняет создание научно обоснованных методик расчёта и определения оптимальных конструктивных размеров и режимов работы с целью интенсификации процессов в системах «жидкость-жидкость», «твёрдое-жидкость».

В связи с этим разработка аппаратов многофакторного воздействия на обрабатываемую среду, в которых возникают переходные гидромеханические процессы, интенсивная импульсная акустическая кавитация, резонансные явления, позволяющие интенсифицировать различные химико-технологические процессы с существенным снижением удельных энергозатрат, является одной из приоритетных задач развития науки и техники химической, фармацевтической, машиностроительной, пищевой и других видов промышленности.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с координационным планом АН СССР по направлению ТОХТ код 2.27.1.4.14 1991-1995гг; МНТП «Ресурсосберегающие технологии машиностроения» 1996-2000 гг; НТП «Научные исследования высшей школы в области химической технологии» 2003-2005гг.

Целью работы является разработка теоретических основ методов расчета роторных аппаратов с учетом нестационарных гидродинамических факторов, определяющих мощностные, режимные, конструктивные параметры и использования их для модернизации и разработки конструкций роторных аппаратов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

- проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований особенностей нестационарного течения потоков несжимаемой и сжимаемой жидкостей в модуляторе роторного аппарата и их сопоставление;

- получение новых адекватных реальной гидромеханической обстановке моделей течения в рабочих зонах аппарата;

- разработка физической модели течения жидкости в каналах роторного аппарата в полях массовых сил на основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований гидромеханики и импульсной акустической кавитации;

- разработка математической модели динамики кавитационного пузыря с уточнением влияния газосодержания на величину критерия акустической кавитации, при которой наблюдается максимальное воздействие на скорость технологического процесса;

- разработка обобщенной методики расчета существующих и новых конструкций и внедрение высокоэффективных роторных аппаратов для интенсификации физико-химических массообменных процессов.

Научная новизна

Для нестационарных гидродинамических процессов, протекающих в перекрывающихся каналах ротора и статора в аппарате с внутренним ротором под действием центробежных и кориолисовых сил разработаны новые адекватные физические и математические модели течения среды с учетом сжимаемости жидкости, динамики кавитационных пузырей с переменным газосодержанием и резонансных явлений. Запатентованы новые способы интенсификации гидродинамических и массообменных процессов и конструкции роторных аппаратов, обеспечивающие их высокую удельную производительность и надежность. Наиболее важными результатами, представляющими научную новизну, являются:

- с использованием зонного подхода на основании уравнений Навье - Стокса и неразрывности разработана математическая модель нестационарного течения сжимаемой жидкости в модуляторе роторного аппарата, которая включает впервые предложенную физически обоснованную функцию изменения площади проходного сечения диафрагмы модулятора за время процесса открывания и закрывания каналов в статоре и позволяет расширить область получения конструктивных и режимных параметров в определяемых границах;

- анализ разработанной математической модели нестационарного течения несжимаемой жидкости, позволяющий установить границы ее применения, и выделены эти границы в сопоставлении со сжимаемой жидкостью;

- зависимость критерия акустической кавитации от содержания свободного газа в жидкости и разработана соответствующая математическая модель, позволившая эффективно управлять максимальной скоростью протекания технологического процесса в роторном аппарате;

- трехмерная математическая модель течения технологической среды в зазоре между проницаемыми коническими поверхностями, на основании которой получены дифференциальные уравнения течения среды и аналитические выражения, не содержащие эмпирических коэффициентов, для определения диссипации энергии в радиальном и осевом зазорах роторного аппарата, а также предложен метод определения мощности, потребляемой роторным аппаратом, который может использоваться на начальной стадии проектирования;

- математическая модель нестационарного течения в радиальном зазоре между цилиндрическими ротором и статором, позволяющая определить пик мощности в момент пуска роторного аппарата и таким образом обоснованно подобрать электродвигатель привода;