CC BY
28
© Е.С. Каменецкий, Д.Г. Минасян, В.Н. Хетагуров, 2011
УДК 622.73: 519.677
Е. С. Каменецкий, Д.Г. Минасян, В.Н. Хетагуров
МА ТЕМА ТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ИЗМЕЛЬ ЧАЕМОГО МАТЕРИАЛА В КОРПУСЕ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ МЕЛЬНИЦЫ ВЕРТИКАЛЬНОГО ТИПА
Выполнено численное решение трёхмерных уравнений Навье-Стокса, описывающих движение измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы вертикального типа. Расчеты позволили уточнить характер движения материала в корпусе мельницы и оценить значения составляющих скорости материала в любой точке рабочего ее пространства. Расчёты показали, что для повышения эффективности работы мельницы целесообразно использовать радиальные рёбра с полным прямоугольным вырезом их в части, прилегающей к ступице ротора.
Ключевые слова: центробежная мельница вертикального типа, вычислительный эксперимент, измельчаемого материала, движение.
Для определения основных технологических и конструктивных параметров центробежной мельницы вертикального типа [1, 2] необходимо иметь полную картину движения измельчаемого материала в мельнице, на основе которой будут определены ряд показателей, полезных при разработке и проектировании этих машин.
Ранее аналогичные расчеты проводились в осесимметричном приближении, что не позволяло учесть влияние радиальных ребер ротора [3-5].
Для определения характера движения измельчаемого материала в корпусе мельницы было проведено трехмерное компьютерное моделирование движения сыпучей среды в полости мельницы с помощью пакета Open Foam. Сыпучая среда рассматривалась как несжимаемая ньютоновская жидкость с эквивалентным коэффициентом вязкости равным 110-3 кг/(м с). Решалась задача, когда во внутренней полости ротора мельницы установлено три радиальных ребра. Предполагалось, что движение сыпучей
среды описывается уравнениями Навье-Стокса:
р^ + р (уУ) у = -Ур + цУ2у ;
Уу = 0 .
Цилиндрический корпус мельницы неподвижен и на нем задавались условия прилипания материала, т.е. отсутствие относительной скорости движения измельчаемого материала и=0, у=0, w=0.
Условия прилипания материала задавались также на всей поверхности ротора.
и = 0; V = юг, w=0.
На верхней поверхности столба материала, которая принималась горизонтальной, вертикальная составляющая скорости считалась равной нулю w=0, а для горизонтальных составляющих скорости использовались условия:
* = 0; * = 0.
дz дz
Рис. 1. Расчетная сетка
Расчеты по полученной модели позволяют установить характер движения сыпучей среды в полости центробежной мельницы вертикального типа. Рассматривалась мельница с диаметром ротора 1 метр, скорость вращения ротора принималась равной 300 об/мин, высота столба материала в корпусе - 1 метр. Построение расчётной сетки показано на рис. 1. В области ротора использовалась сетка с более мелким шагом, а в верхней части корпуса шаги были больше
Результаты расчетов приведены на рис. 2-5.
Из рис. 2 видно, что вертикальная составляющая скорости в вертикальной плоскости, проходящей через ось мельницы, направлена вверх около корпуса мельницы и вниз у оси. Непосредственно над верхними кромками ребер (рис. 2, а) происходит спуск измельчаемого материала в полость ротора, а в пространстве
—зя
0947
—30
-6.0251498
б
Рис. 2. Направление векторов скорости движения материала и давление в вертикальной плоскости, проходящей через ось мельницы: а) между ребрами; б) в плоскости ребра
между ребрами (рис 2, б) этот эффект незначителен.
На рис. 3 видно, что непосредственно над верхними кромками ребер давление возрастает по направлению к корпусу мельницы. Основной рост давления наблюдается перед рабочей поверхности ребра ротора, при этом радиальная со-
а
-5.6875973
б
і
Рис. 3. Направление векторов скорости и давление в горизонтальной плоскости мельницы на высоте от верхних кромок ребер: а) 0,005 м; б) 0,95 м
I
0
!
г
1 з щ с\ї £
»2
Рис. 4. Значения тангенциальной скорости на различной высоте от верхних кромок ротора при отсутствии ребер
ставляющая скорости направлена от оси вращения ротора к периферии. На высоте 0,95 м над верхней кромкой ребер, давление также возрастает по направлению к корпусу мельницы, однако влияние ребер на него незначительно. Ради-
альная скорость вращения измельчаемого материала при этом направлена от периферии к оси мельницы.
Таким образом, проведенные расчеты позволяют определить характер движения сыпучей среды в корпусе
Рис. 5. Значения тангенциальной скорости на различной высоте непосредственно над ребром ротора
Рис. 6. Значения тангенциальной скорости на различной высоте над ребром ротора в зоне между ребрами
центробежной мельницы вертикального типа. Его можно представить как вытянутый в вертикальном направлении тор с искривленным нижним краем от воздействия ребер.
Представляет интерес сравнение результатов расчётов для случаев с наличием ребер в полости ротора и без них. Результаты представлены в виде графиков значений тангенциальной скорости измельчаемого материала на разной высоте от верхних кромок ребер (рис. 4).
Графики на рис. 4 показывают, что при отсутствии ребер в роторе мельницы тангенциальная скорость имеет наибольшее значение у корпуса мельницы (около 9 м/с), затем на расстоянии 0.2 м от корпуса скорость резко снижается до 2-3 м/с и затем плавно снижается до нулевых значений у оси мельницы. Чем выше рассматриваемая точка от плоскости вращения ротора, тем пиковое значение тангенциальной скорости меньше и плавнее ее спад.
Графики на рис. 5 показывают, что, тангенциальная скорость сыпучей среды непосредственно над ребром ротора возрастает почти линейно по направлению от оси мельницы к ее корпусу. На высоте 0,5 м над вращающимся ротором тангенциальная скорость не имеет резких скачков. У корпуса мельницы значения скорости наибольшие, затем на расстоянии 0,1-
0,15 м от корпуса происходит небольшой спад, и дальше, по направлению к оси мельницы, скорость почти постоянна и находится в пределах 4,5-5 м/с. На расстоянии 0,1 м от оси мельницы начинается спад тангенциальной составляющей скорости до нулевых значений на оси мельницы.
Характер изменения тангенциальной скорости между ребрами (рис. 6) близок к наблюдаемому над ребрами на большей высоте (рис. 5).
Средняя скорость движения измельчаемого материала в случае с ребрами, установленными в полости ротора, в несколько раз превышает таковую в случае без ребер и очень мало зависит от высоты над верхними кромками ротора. Это обусловлено увлечением измельчаемого материала ребрами.
Т.к. зоной наиболее активного измельчения материала в центробежной мельнице вертикального типа является верхняя кромка ребер, а интенсивность удара частиц материала о рёбра повышается при уменьшении скорости движения материала находящегося непосредственно над вращающимся ротором, полученные результаты позволяют предположить, что изменение формы ребер с полным прямоугольным вырезом в зоне у ступицы ротора увеличит интенсивность размола за счет снижения скорости движения слоёв измельчаемого материала, находящегося непосредственно над вращающемся ротором.
Выводы
1. Численное решение трёхмерных уравнений Навье-Стокса позволило уточнить характер движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы вертикального типа и оценить значения составляющих скорости материала в любой точке рабочего ее пространства.
2. Проведенные расчёты показали, что для повышения эффективности работы мельницы целесообразно использовать радиальные рёбра с полным вырезом их в части, прилегающей к ступице ротора.
1. Хетагуров В.Н. Разработка и проектирование центробежных мельниц вертикального типа. Владикавказ: Изд-во «Терек», 1999. - 225 с.
2. Патент на изобретение Российской Федерации № 2376063. Мельница // Опубл. Б.И. №35 от 20.12.2009 г. Авторы: Хетагуров В.Н., Каменецкий Е.С., Хетагуров С.В., Максимов Н.П., Соболев С.Е.
3. Хетагуров В.Н., Каменецкий Е.С., Коло-динский С.В., Алексеев С.А. К определению характера движения измельчаемого материала в корпусе мельницы МВ-1 // Владикавказ: Изд-во «Терек». Юбилейный сборник, посвящен-
ный 60-летию НИСа СКГТУ (сборник научных статей), 1998. - С.95-99.
4. Хетагуров В.Н., Каменецкий Е.С., Тимофеев А.В. Исследование характера движения измельчаемого материала в центробежной мельнице вертикального типа. // Екатеринбург: Горный журнал «Изв. ВУЗов» №5, 2002. - С. 84-86.
5. Хетагуров В.Н., Каменецкий Е.С., Тедее-ва С.Ш., Наниева Б.М. Влияние формы дна вращающегося сосуда на движение в нем сыпучей среды // В сб. XXII Российская школа по проблемам науки и технологий. Краткие сообщения. Екатеринбург, 2002. - С. 100-102.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------------
Каменецкий Евгений Самойлович - доктор физико-математических наук, доцент, заведующий лабораторией, Южный математический институт ВНЦ РАН и РСО-А, E-mail: [email protected] Минасян Давид Григорьевич - аспирант, Южный математический институт ВНЦ РАН и РСО-А, Email: [email protected]
Хетагуров Валерий Николаевич - профессор, доктор технических наук, профессор кафедры технологических машин и оборудования, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), E-mail: [email protected]
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ ОБОГАЩЕНИЯ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ «УРАЛМЕХАНОБР», УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ШИХОВ Николай Иванович Обоснование параметров барабанного коронно-электростатичес-кого сепаратора повышенной удельной производительности 25.00.13 к.т.н.
