Belgorod, Russian Federation
graduate student from 01.01.2022 to 01.01.2026
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
UDC 69
UDC 697
The article studies the pattern and quantitative assessment of the effect of quartz dust dispersion on the wear rate of the air flow regulator. The study was performed using computational fluid dynamics (CFD). Based on a three-dimensional geometric model, a system of Navier–Stokes equations was implemented, closed by the k–ε turbulence model, with tracking of the trajectories of the dispersed phase (quartz dust, ρ=2700 kg/m³) with equivalent diameters of 10, 50, and 100 μm. A comparative analysis was conducted with a traditional slide regulator. It was found that minimal wear is achieved when the valve is fully open. Small particles (10 μm) follow the flow and penetrate into the sealing gaps, causing wear on the locking element and loss of tightness. Large particles (100 μm) have high inertia and cause intense abrasion of the body and pipe walls, bypassing the valve. Operating in a partially closed mode significantly accelerates damage to the surfaces. It was revealed that the studied design is suitable for high-speed applications.
abrasive wear, air flow regulator, aspiration systems, CFD modeling, quartz dust, reliability.
Введение. Системы промышленной аспирации представляют собой сложные инженерно-технические комплексы, интегрированные в технологические цепочки горнодобывающей, металлургической, строительной, химической и перерабатывающей отраслей. Их функциональное назначение выходит за рамки простого удаления дисперсных примесей: они обеспечивают комплексную защиту производственной среды от пылевых, газовых и аэрозольных загрязнений, гарантируя соответствие жёстким требованиям промышленной безопасности, санитарно-гигиеническим нормативам (ПДК) и экологическим директивам по выбросам в атмосферу. Стабильность работы аспирационных контуров напрямую влияет на эксплуатационную надёжность основного технологического оборудования, минимизируя абразивный износ узлов, коррозионное разрушение поверхностей, перегрев приводных механизмов и риск возгорания пылевоздушных смесей. В условиях непрерывного ужесточения регуляторных требований и роста стоимости энергоресурсов, аспирационные системы трансформируются из вспомогательных коммуникаций в стратегические элементы производственной инфраструктуры, от эффективности которых зависят показатели производственной безопасности и общей себестоимости продукции.
В структуре многоконтурных и разветвлённых аспирационных сетей центральным элементом управления гидравлическим режимом выступает регулятор расхода воздуха. Его функциональная роль заключается в динамической балансировке магистральных и ответвляющихся воздуховодов, компенсации нестационарных возмущений (варьирование сопротивления фильтрующих элементов, изменение конфигурации технологических отсосов, температурно-влажностные и барические колебания среды) и поддержании заданного статического разрежения в рабочих зонах [1–2].
В условиях промышленной эксплуатации транспортируемый воздух характеризуется высокой концентрацией твёрдой фазы, обладающей выраженной абразивностью. Постоянное воздействие дисперсных частиц на рабочие поверхности проточной части, регулирующие элементы и уплотнения инициирует прогрессирующий абразивный износ, который приводит к изменению посадочных зазоров, нарушению герметичности, искажению расходных характеристик и, как следствие, к снижению производительности системы, росту гидравлических потерь и увеличению затрат на ремонтно-восстановительные работы [3]. Особую опасность в этом контексте представляют высокотвёрдые минеральные пыли, в частности кварц, широко распространённый в технологических потоках и обладающий высокой микротвёрдостью [4].
В большинстве теоретических исследований [5–9] механизмы износа классифицируются по двум основным типам: износ микрорезанием (режущий) и деформационный износ. Первый обусловлен абразивным воздействием микрочастиц сыпучего материала, приводящим к микрорезанию поверхности, и преимущественно реализуется в пластичных средах, прежде всего в металлах и их сплавах. Деформационный износ развивается в результате многократных ударных нагрузок от транспортируемых частиц, вызывающих циклическую пластическую деформацию и накопление повреждаемости поверхностного слоя. Данный механизм является доминирующим для хрупких материалов, таких как стекло, керамика и аналогичные системы.
Несмотря на существенный прогресс в области вычислительной гидрогазодинамики (CFD) и инженерной трибологии, достигнутый за последние десятилетия, вопросы количественной оценки и прогнозного моделирования абразивного износа узлов систем аспирации, в частности регуляторов расхода воздуха, остаются недостаточно изученными и характеризуются выраженной фрагментарностью. Анализ доступных литературных источников, включая работы [10, 11], свидетельствует о том, что подавляющее большинство публикаций сосредоточено либо на макроскопическом аэродинамическом расчёте магистральных воздуховодов и определении интегральных гидравлических потерь, либо на постфактумном эмпирическом мониторинге износа методом периодических инструментальных замеров или визуальной дефектоскопии. При этом физико-механические механизмы взаимодействия полидисперсного пылегазового потока с подвижными и неподвижными элементами регулирующих устройств не получили систематизированного описания. В существующих моделях, как правило, отсутствуют учёты реального гранулометрического распределения, морфологических характеристик частиц, их пространственно-временной концентрации вблизи рабочих поверхностей, а также динамического влияния локальных гидродинамических параметров на кинематику соударений и интенсивность съёма материала. В виду этого отсутствие верифицированных численных моделей затрудняет обоснованный выбор конструктивных решений и регламентов технического обслуживания.
Материалы и методы. Исследования выполнены на основе численного моделирования методами вычислительной гидродинамики (CFD). Выбор данного подхода в качестве основного инструмента анализа обусловлен его фундаментальными преимуществами при исследовании сложных трёхмерных, нестационарных и многофазных течений, характерных для аспирационных систем промышленного назначения. В отличие от традиционных эмпирических корреляций и упрощённых аналитических моделей, основанных на интегральных балансах, CFD-моделирование позволяет реконструировать пространственно-временную структуру потока с высоким разрешением, выявляя локальные зоны рециркуляции, градиенты давления, интенсивность турбулентной диссипации и траектории дисперсной фазы, которые принципиально недоступны для непосредственного экспериментального наблюдения без применения дорогостоящих оптических методов [12–14].
Применение данного подхода в качестве основного инструмента обусловлено его способностью обеспечивать высокую детализацию гидродинамических полей, значительное сокращение сроков проектирования и повышение общей эффективности разработки и оптимизации устройств различного назначения [15–19].
Математическая модель процесса была сформирована на основе системы уравнений неразрывности и Навье–Стокса, замкнутой с помощью двухпараметрической модели турбулентности k–ε (стандартная реализация). В качестве граничных условий турбулентности были приняты: интенсивность турбулентных пульсаций 0,1 %, характерный масштаб турбулентности – 0,002 м. Для проведения вычислительного эксперимента построены трёхмерные геометрические модели регулятора расхода воздуха и сформирована расчётная область, дискретизированная сеточной моделью, адекватно описывающей структуру воздушных течений. Численные исследования выполнены для серии вариантов частиц кварцевой пыли с эквивалентным диаметром 10, 50 и 100 мкм. Проведён корреляционный анализ откликов системы по исследуемым факторам, оценена сходимость и достоверность полученных зависимостей.
Цель исследования: выявление факторов, определяющих интенсивность абразивного износа регулятора расхода воздуха в системах аспирации.
Ставились следующие задачи исследования:
– разработать CFD модель регулятора;
– проведение серии вычислительных экспериментов для частиц кварцевой пыли с эквивалентным диаметром 10, 50 и 100 мкм;
– выполнить сопоставительный анализ данных по износу прототипа регулирующего клапана и шиберного устройства-аналога.
CFD – модель регулирующего устройства была разработана в среде SolidWorks с обеспечением геометрической ассоциативности и возможностью вариативного изменения конструктивных параметров для проведения оптимизационных исследований. В качестве дисперсной фазы исследована кварцевая пыль с плотностью 2700 кг/м³ и массовым расходом 0,001 кг/с. Анализ проведён для трёх характерных фракций с эквивалентным диаметром частиц 10, 50 и 100 мкм (гравитационные силы в расчете учитывались и не учитывались), что позволяет оценить влияние гранулометрического состава на кинетику воздействия на поверхности регулятора. Моделирование выполнялось при номинальном расходе воздуха 0,1175 м³/с, обеспечивающем среднюю скорость потока в рабочем сечении воздуховода 15 м/с, что соответствует типовым эксплуатационным режимам промышленных аспирационных систем. Во всех проведенных экспериментах варьировалось положение клапана. На рисунке 1 представлен общий вид расчетной модели.
Рис. 1. Общий вид расчетной модели
Выполнен обзор и критический анализ современной научной литературы по теме исследования [20–21], установлено, что величина износа зависит от концентрации пыли, скорости потока, твёрдости частиц, физико-механических свойств материала регулятора, угла соударения частиц с поверхностью и ряда других параметров.
На рисунке 2 представлены траектории движения частиц пыли диаметром 10 мкм и скорость абразивного износа частиц в местах контакта пыли с деталями клапана, вылетающих из плоскости всасывания. Моделирование осуществлялось для частиц, движущихся по линии разреза. Видно, что под действием сил всасывания частицы прижимаются к клапану и распределяются по всей поверхности нижнего конуса, после чего соударяются с нижней частью биконуса. Движение частиц происходит преимущественно по траектории воздушного потока, что обусловлено их меньшей инерционностью.
Износ элементов конструкции происходит в местах контакта с потоком пылевых частиц. Анализ траекторий показывает, что частицы диаметром 10 мкм сталкиваются с поверхностями клапана и корпуса под углом до 10°, при этом преобладает контакт трением. Согласно данным справочной литературы, такой угол соударения обусловливает низкий уровень абразивного износа соответствующих элементов регулятора расхода.
Рис. 2. Траектории движения частиц пыли диаметром 10 мкм и скорость абразивного износа частиц в местах контакта пыли с деталями клапана
На рис. 3 представлены траектории движения частиц пыли диаметром 50 мкм, вылетающих из плоскости всасывания. Моделирование осуществлялось для частиц, движущихся по линии разреза. Видно, что под действием сил всасывания частицы прижимаются к клапану и распределяются по всей плоскости нижнего конуса, после чего соударяются с нижней частью биконуса. Отразившись от биконуса, частицы ударяются о стенки патрубка (корпуса) регулятора расхода.
Рис. 3. Траектории движения частиц пыли
диаметром 50 мкм.
Износ элементов конструкции происходит в местах контакта с потоком пылевых частиц. Анализ траекторий показывает, что частицы диаметром 50 мкм сталкиваются с поверхностями клапана и корпуса под углом до 30°. По данным справочной литературы такой угол соударения обусловливает умеренный и повышенный характер абразивного износа соответствующих элементов регулятора расхода.
На рис. 4 представлены траектории движения частиц пыли диаметром 100 мкм. и скорость абразивного износа частиц в местах контакта пыли с деталями клапана, вылетающих из плоскости всасывания. Моделирование осуществлялось для частиц, движущихся по линии разреза. Видно, что под действием сил всасывания частицы прижимаются к клапану, после чего соударяются с нижней частью биконуса. Отразившись от биконуса, частицы ударяются о стенки патрубка (корпуса) регулятора расхода.
Износ элементов конструкции происходит в местах контакта с потоком пылевых частиц. Анализ траекторий показывает, что частицы диаметром 100 мкм сталкиваются с поверхностями клапана и корпуса под углом 30–60°. По данным справочной литературы такой угол соударения обусловливает умеренный характер абразивного износа соответствующих элементов регулятора расхода.
Рис. 4. Траектории движения частиц пыли диаметром 100 мкм и скорость абразивного износа частиц в местах контакта пыли с деталями клапана
На рисунках 5, 6 представлены результаты численного моделирования движения пылевых частиц при практически закрытом клапане.
На рисунке 7 визуализировано исследование абразивного износа регулятора расхода в открытом состоянии.
а) б)
Рис. 5. Траектории движения пылевых частиц d=10 мкм. (а) и d=100 мкм (б)
а) б)
Рис. 6. Скорость абразивного износа в местах контакта пыли d=10 мкм. (а) и d=100 мкм
(б) с деталями клапана
Рис. 7. Траектории движения частиц пыли диаметром 10,50 и 100 мкм
Для сравнительного анализа полученных данных по разрабатываемому устройству было проведено исследование абразивного износа существующего регулятора (шибера) в идентичных условиях эксплуатации.
Важно отметить, что скорость движения воздуха в области работы шибера ниже в 2 раза, при этом возникает большая скорость абразивного износа. На рисунках 9, 10 представлены полученные данные по исследованию шиберного устройства.
Рис. 9. Траектории движения частиц пыли d=100 мкм и скорость абразивного износа шибера
Рис. 10. Траектории движения частиц пыли d=10 мкм и скорость абразивного износа шибера
Выводы: В статье обоснована необходимость оптимизации систем промышленной вентиляции и аспирации, уделяя особое внимание совершенствованию методов управления воздушными потоками посредством регулирующих устройств. Целью исследования являлись выявление факторов, определяющих интенсивность абразивного износа регулятора расхода воздуха в системах аспирации. Трёхмерная геометрическая модель регулирующего устройства сформирована в среде SolidWorks. В работе исследована зависимость интенсивности абразивного износа рабочих поверхностей от дисперсности частиц кварцевой пыли. Установлено, что разработанная CFD-модель обладает достаточной достоверностью и может быть применена в качестве базового инструмента для дальнейших научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Интеграция специализированных CAD/CAE-решений на этапах проектирования позволяет существенно сократить трудоёмкость и временные затраты при анализе и оптимизации вентиляционного оборудования. Полученные в результате исследования данные позволяют установить количественные зависимости между параметрами пылегазового потока, геометрией регулятора и локальной интенсивностью износа его элементов. Результаты работы могут быть использованы при проектировании износостойких регулирующих устройств, оптимизации аэродинамических схем проточной части, разработке методик прогнозирования остаточного ресурса и формировании научно обоснованных регламентов технического обслуживания аспирационных сетей.
По результатам проведённого CFD-анализа сформулированы основные выводы исследования:
1. Разработана верифицированная численная CFD-модель регулирующего устройства, предназначенная для проведения дальнейших исследований, направленных на оптимизацию процессов управления в аспирационных системах. Использование данной модели позволяет осуществлять виртуальное тестирование, анализировать влияние конструктивных модификаций на аэродинамические параметры системы, а также определять скорость абразивного износа устройства.
2. Проведена серия вычислительных экспериментов для частиц кварцевой пыли с эквивалентным диаметром 10, 50 и 100 мкм, по результатам которых установлено следующее:
- режим работы: минимальный износ достигается при работе регулятора в полностью открытом положении – низкая скорость потока и турбулентность снижают механическую нагрузку на детали. Работа в частично закрытом режиме ускоряет износ.
- влияние крупных частиц: крупные абразивные частицы из-за высокой инерции ударяются о стенки корпуса и патрубка, вызывая их интенсивное истирание; клапан при этом страдает в меньшей степени.
- влияние мелких частиц: мелкая пыль проникает в узкие зазоры между клапаном и седлом, вызывая износ именно запорного элемента, что ведёт к потере герметичности и ухудшению регулирующих характеристик.
3. В рамках сравнительного анализа данных по разрабатываемому устройству было проведено исследование абразивного износа существующего регулятора (шибера) в идентичных условиях эксплуатации. Установлено, что скорость движения воздуха в рабочей области шибера, в 2 раза меньше по сравнению с прототипом, при этом наблюдается более высокая интенсивность абразивного износа. Это свидетельствует о недостаточной износостойкости конструкции шибера при аналогичных эксплуатационных нагрузках.
На основе результатов проведённого исследования были сформулированы практические рекомендации, направленные на оптимизацию процесса разработки клапана:
– для сред с крупными частицами рекомендуется использовать износостойкие покрытия или сменные вставки в патрубках и корпусах;
– при наличии мелкой пыли особое внимание уделяют материалам и конструкции клапана, а также качеству фильтрации;
- регулярная инспекция и обслуживание должны учитывать преобладающий тип износа в зависимости от условий эксплуатации.
1. Averkova O.A., Logachev K.I., Uvarov V.A. Energy Saving in Exhaust Ventilation Systems [Energosberezhenie v sistemah vytyazhnoj ventilyacii]. Construction and industrial safety.2018. No.11(63). Pp. 137–146. EDN: https://elibrary.ru/VMYVMX. (rus)
2. Volkov, V. A. VAV Air Flow Regulators - the Basis of a Variable Air Flow Air Conditioning System [Regulyatory raskhoda vozduha VAV - osnova sistemy kondicionirovaniya s peremennym raskhodom vozduha]. AVOK: Ventilyaciya, otoplenie, kondicionirovanie vozduha, teplosnabzhenie i stroitel'naya teplofizika.2011. No. 4. Pp. 38–41. (rus)
3. Putilov V. Ya., I. V. Putilova. Dependence of the abrasive wear of thermal power plant pneumatic conveying pipelines on the aerodynamic lightness criterion of the transported material particles [Zavisimost' abrazivnogo iznosa pnevmotransportnyh truboprovodov TES ot krite-riya aerodinamicheskoj legkosti chastic transportiruemogo materiala]. Bulletin of the Moscow Power Engineering Institute. Bulletin of MPEI.2007. No. 2. Pp. 63–67. EDN: https://elibrary.ru/IALAYV. (rus)
4. Bitter I.Y.A. A Study of Erosion Phenomena. Wear. 1963. Vol. 6. Pp. 5-21.
5. Smeltzer C.E., Gulden M.E., Compton W.A. Mechanisms of metal removal by impacting dust particles. Journal of Basic Engineering. 1970. Vol. 92(3). Pp. 639–652.
6. Neilson J.H., Gilkrist A. Erosion by a Stream of Solid Particles. Wear. 1968. Vol. 11. Pp. 111–122. DOI:https://doi.org/10.1016/0043-1648(68)90591-7.
7. Finnie I. Erosion of surfaces by solid particles. Wear. 1960. No. 3. Pp. 87–103. DOI:https://doi.org/10.1016/0043-1648(60)90055-7.
8. Beckmann G. Eine Modification der Verschleibgrundgleichung. Schmierungstechnik. 1978. Vol. 9. No. 12. Pp. 362–365.
9. Sundararajan G., Shewmon P.G. A new Model for the Erosion of Metals at Normal Incidence. Wear. 1983. Vol. 84. No. 2. Pp. 237–258. DOI:https://doi.org/10.1016/0043-1648(83)90266-1.
10. Borodkin A.A. Calculation of aerodynamic parameters of a ventilation network [Raschet aerodinamicheskikh parametrov ventilyatsionnoy seti]. AVOK: Ventilation, Heating, Air Conditioning, Heat Supply and Building Thermophysics. 2021. No. 4. Pp. 58–61. EDN: https://elibrary.ru/IPTTRS. (rus)
11. Logachev I.N., Logachev K.I. Aerodynamic Fundamentals of Aspiration [Aerodinamicheskie osnovy aspiracii]. St. Petersburg: Khimizdat, 2005. 659 p. (rus)
12. Goltsov A.B., Logachev K.I., Averkova O.A., Yelistratova Yu.V., Seminenko A.S. Numerical simulation of air flow in an aspiration funnel with a flow-straightening device [Chislennoe modelirovanie vozdushnogo potoka v aspiratsionnoy voronke s vyravnivayushchim ustroystvom]. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Stroitelstvo. 2024. No. 7(787). Pp. 64–75. DOI:https://doi.org/10.32683/0536-1052-2024-787-7-64-75. EDN: https://elibrary.ru/ECUIGS. (rus)
13. Goltsov A.B., Logachev K.I., Ovsyannikov Y.G., Kireev V.M. Numerical Simulation of Air Flows in the Loading Chute of an Aspiration Shelter with Multistage Recirculation Air Seal. Refractories and Industrial Ceramics. 2021. Vol. 61(6). Pp. 727–734. DOI:https://doi.org/10.1007/s11148-021-00550-3. EDN: https://elibrary.ru/JCJQDU
14. Tkach L.V., Goltsov A.B., Mikhailov A.I., Shalpegin D.S. Study of local resistance of gate valves in ventilation and aspiration systems [Issledovanie mestnogo soprotivleniya shibernykh zadvizhek v ventilyatsionnykh i aspiratsionnykh sistemakh]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2026. No. 5. Pp. 16–25. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2026-11-5-16-25. EDN: https://elibrary.ru/ARMAHY. (rus)
15. Nagornaya A.N., Denisyuk E.V. CFD Modeling of the Thermal and Air Conditions in a Cinema [CFD-modelirovanie teplovogo i vozdushnogo rezhima kinoteatra]. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Construction Engineering and Architecture.2013. Vol.13. No.2. Pp. 61-64. EDN: https://elibrary.ru/RPVCOF. (rus)
16. Ganegama Bogodage S., Leung A.Y.T. CFD simulation of cyclone separators to reduce air pollution. Powder Technology. 2015. No. 286. Pp. 488–506.
17. Goltsov A.B., Logachev K.I., Seminenko A.S., Kireev V.M., Yelistratova Yu.V., Serykh I.R., Chernysheva E.V. Flow straightening in aspiration nozzles [Vyravnivanie potokov v aspiratsionnykh patrubkakh]. Ecology of Industrial Production. 2024. No. 2(126). Pp. 46–57. DOI:https://doi.org/10.52190/2073-2589_2024_2_46. EDN: https://elibrary.ru/CLZMNY. (rus)
18. Goltsov A.B. Identification of factors affecting the uniformity of suction by aspiration funnels [Vyyavlenie faktorov, vliyayushchikh na ravnomernost vsasyvaniya aspiratsionnymi voronkami]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2023. No. 1. Pp. 19–31. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2022-8-1-19-31. EDN: https://elibrary.ru/QLNJGE. (rus)
19. Logachev K.I., Popov E.N., Kozlov T.A., Ziganshin A.M., Averkova O.A. Simulation of separated air flow at the inlet to a square exhaust hood. Report 1. Research methods [Modelirovanie otryvnogo vozdushnogo potoka pri vkhode v kvadratnyy otssos soobshchenie 1. Metody issledovaniya]. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Stroitelstvo. 2023. No. 6(774). Pp. 39–53. DOI:https://doi.org/10.32683/0536-1052-2023-774-6-39-53. EDN: https://elibrary.ru/EAKOSQ. (rus)
20. Mills D. Pneumatic Conveying Design Guide. 3rd Edition. Butterworth-Heinemann. 2016. 688 p.
21. Zaitsev M.V. Abrasive wear of pneumatic pipelines and possible ways to prevent it [Abrazivnyy iznos pnevmaticheskikh truboprovodov i vozmozhnye sposoby ego predotvrashcheniya]. Veles. 2016. No. 3-2(33). Pp. 37–41. EDN: https://elibrary.ru/WWWOSL. (rus)
