Очищення робочих рідин повнопотоковим гідродинамічним фільтром з обертовим перфорованим циліндром та бункером для осаду

Abstract

В дисертації вирішена актуальна науково-технічна задача – підвищення ефективності очищення робочих рідин від механічних частинок повнопотоковим гідродинамічним фільтром, а саме ротаційним, в якому запропоновано використовувати у якості фільтроелемента обертовий перфорований циліндр та бункер для осаду для збору відсепарованих частинок. На основі чисельного моделювання, яке базується на усереднених по Рейнольдсу рівняннях Нав’є-Стокса (RANS) зі застосуванням моделі турбулентності переносу зсувних напруг (SST k-ω модель) Ментера, проведено дослідження течії несучої рідини біля обертової фільтруючої поверхні та області бункера для осаду ротаційного фільтра. Доведено нерівномірність протікання рідини у радіальному напрямку крізь перфорований циліндр. Крізь отвори розташовані біля вхідного перетину в робочу область проходить більше рідини ніж через отвори, які максимально віддалені від даного перетину, що негативно впливає на реалізацію гідродинамічного ефекту очищення. Досліджено еволюцію течії рідини біля отворів уздовж поверхні перфорованого циліндра в залежності від зміни параметрів Reφ, Rer та показано, що зі збільшенням Reφ, що характеризує обертовий рух рідини, збільшується перекриття отворів набігаючим потоком. У тривимірній постановці досліджено траєкторії руху завислих частинок біля проникної поверхні фільтроелемента, доведено здійснення гідродинамічного ефекту очищення для перфорованого циліндра в якості фільтроелемента при різних режимах течії та відмічено наявність «буферної зони», яка виключає контакт частинок домішки з поверхнею проникного циліндра. На основі вісесиметричної постановки виявлено позитивний вплив обертання торцевої стінки фільтроелемента на гідродинаміку течії, що проявляється в стримуванні поширення вихрових зон з області бункера в робочу область фільтра, та утримання частинок у бункері. Отримано залежності ефективності очищення фільтра від відносного діаметру і густини частинок домішки та густини рідини при заданій конструкції фільтра. Визначено найвищу ефективність утримання частинок домішки в бункері циліндричної та конічної розбіжної форми. Проведено експериментальні дослідження, що підтвердили ефективність, яка складає 95 %, запропонованого пристрою очищення рідини АМГ-10 від частинок розміром 100…200 мкм, та адекватність отриманих теоретичних результатів реальним фізичним процесам. Розбіжність між розрахунковими й отриманими в результаті експерименту значеннями порівнюваних параметрів склала не більше 9 %.

In the thesis the actual scientific and technical problem is solved – an increase in the efficiency of cleaning of working fluids from mechanical particles by a full-flow hydrodynamic filter, namely a rotational, in which it is proposed to use a rotating perforated cylinder as a filter element and a sludge hopper for collecting the separated particles. On the basis of numerical modeling based on the Navier-Stokes (RANS) averaged Reynolds equations using a shift model of the shifting stresses (SST k-ω model) of Menther, a study of the flow of a carrier fluid near the rotating filtering surface and the area of the rotor sink hopper filter. The uneven flow of a fluid in a radial direction through a perforated cylinder is proved. Through the openings located near the inlet to the working area there is more fluid than through the openings, which are as far removed from this section, which adversely affects the implementation of the hydrodynamic effect of cleaning. The evolution of the fluid flow along the holes along the surface of the perforated cylinder, depending on the change in the parameters Reφ, Rer, has been studied, and it is shown that with increasing Reφ, which characterizes the rotary motion of the liquid, the overlapping of the apertures with the incident flow increases. In the threedimensional form, the trajectories of the motion of suspended particles near the permeable surface of the filter element have been investigated, the hydrodynamic effect of purification for a perforated cylinder as a filter element has been proved under different flow regimes and the presence of a «buffer zone» is excluded, which excludes the contact of impurity particles with the penetrant cylinder surface. On the basis of an axisymmetric statement, the positive effect of the rotation of the end wall of the filter element on the hydrodynamics of the current, revealed in the containment of the diffusion of vortex zones from the bunker region to the working region of the filter, and the content of the particles in the hopper, was found. The dependence of the filter cleaning efficiency on the relative diameter and density of the particles of impurity and fluid density on the given filter design was obtained. The highest efficiency of the content of impurity particles in the bunker of the cylindrical and conical divergent configuration is determined. Experimental studies have been carried out to confirm the efficiency of 95 % of the proposed cleaning device from particles of 100…200 μm AMG-10 fluid and the adequacy of the obtained theoretical results to real physical processes. The difference between the calculated values and the resulting parameters obtained by the experiment was not more than 9 %.