Сборник статей (часть 4) естественно-технические науки алматы 2011 +62 (075) ббк 20+30 я7

31

потребление дизель-троллейвоза по сравнению с троллейвозом обусловлено и использованием 

в нем дизельного двигателя.

Расчеты затраченной энергии на выемку горной массы послойно представлены на рис 4.

0

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

2 5 0

3 0 0

1 5

4 5

7 5

1 0 5

1 3 5

1 6 5

1 9 5

2 2 5

2 5 5

2 8 5

3 1 5

3 4 5

Г л у б и н а ,  м

МДж х 10^6

Рисунок 4. – Энергия, затраченная на перевозку всей горной массы:

где а – автосамосвал с КУЭ и  ГТД 1250, б – гусеничный самосвал; в – автосамосвал с КЭУ 

и ГТД Салют, г – автосамосвал с дизельным двигателем; д – автосамосвал с КУЭ и дизельным 

двигателем; е – дизель-троллейвоз; ж – троллейвоз.

список литературы:

1. Тарасов П.И., Журавлёв А.Г., Исаков М.В. Перспективы применения топливных элементов на карьерном 

автотранспорте // Проблемы недропользования. Материалы I молодежной научно-практической конференции, 14 

февраля 2007г. – Екатеринбург: УрО РАН, 2007. С 258 - 264.

2, Бабаскин С.Л. Оптимизация конструкции бортов в нижней части кимберлитовых карьеров за счет приме-

нения новой технологии гонных работ //Проблемы карьерного транспорта. Материалы IX международной научно-

практической конференции, 9 – 12 октября  2007 г. – Екатеринбург: УрО РАН, 2008. – С 33 - 38.

3. * –Исследования проводится по гранту Уральского отделения РАН

Феоктистов Андрей Юрьевич, Мезенин Антон Олегович, Иванов Кирилл Сергеевич, 

Васильков Владислав Борисович 

НПК «Механобр-техника», Санкт-Петербург, Казахстан

имитационное моделирование технологических процессов

сепарации с помощью метода дискретных элементов

В отличие от чистых жидкостей поведение сыпучих материалов и порошков невозможно опи-

сать, зная только наименование и соответствующий химический состав. Это обуславливается нали-

чием большого количества параметров характеризующих материал помимо химического состава:

32

распределение крупности (гранулометрический состав);

−

форма частиц (лещадные, кубовидные, сферические, и т.п.);

−

состояние поверхности (гладкая, шероховатая, с острыми кромками);

−

содержание влаги (данный параметр оказывает влияние на слипание частиц и образова-

−

нии агломератов);

Задача качественного моделирования сыпучих материалов в различных процессах и агре-

гатах  не может быть решена традиционными вычислительными методами расчета сплошных 

сред  (например,  методами  вычислительной  гидро–газодинамики):  необходимо  принимать  во 

внимание индивидуальное поведение каждой частицы. Каждая частица (дискретный элемент) 

ведет себя независимо до момента контакта с другими частицами или элементами геометриче-

ской модели.

Для решения этой задачи в области моделирования поведения горно–рудных сыпучих ма-

териалов еще в 1971 Cundall [1] предложил использовать метод Дискретных Элементов (МДЭ), 

теоретическим обоснованием которого он ранее занимался.  Широкое распространение  метод 

получил за последние 10 лет, что связано прежде всего с развитием вычислительной техники 

и появлением соответствующего программного обеспечения. Метод дискретных элементов от-

носится к семейству численных методов расчета и является обобщением метода конечных эле-

ментов.

Основы метода дискретных элементов применительно к анализу идеализированной сыпу-

чей среды, состоящей из дисков или сфер, были заложены в [1 и 2]. Частицы при контакте взаи-

модействовали посредством вязкоупругой силы — линейной комбинации закона Гука и вязкого 

слагаемого, ответственного за диссипацию энергии в результате столкновения (см. рис. 1). При 

вычислении тангенциальной компоненты силы учитывался закон трения Кулона. Являясь про-

стейшей, тем не менее, такая модель учитывает все основные параметры контакта и позволяет 

воспроизводить многие эффекты, демонстрируемые сыпучими материалами в различных усло-

виях нагружения. 

Рис. 1. – Модель расчета сил взаимодействия частиц для метода дискретных элементов 

(контактная модель линейной упругости): слева – нормальная составляющая, справа – танген-

циальная;

1 – неудерживающая связь, 2 – демпфер, 3 – упругий элемент

Вычисление  коэффициентов  жесткости  упругих  элементов  и  коэффициентов  демпфиро-

вания осуществляется в самом программном пакете по характеристикам сыпучего материала 

(плотность, геометрические параметры, коэффициенты трения, коэффициент Пуассона, коэф-

фициент восстановления и т.п.).

МДЭ позволяет моделировать динамику движения и механическое взаимодействие каждого 

тела или частицы в рамках определенной физической системы и предоставляет исчерпываю-

щую информацию о местоположении отдельного тела или частицы во времени и пространстве. 

Компьютерное моделирование с помощью МДЭ завоевывает все более высокие позиции и 

для многих задач уже зарекомендовало себя как более эффективное средство, чем лабораторное 

или натурное моделирование.

Современные программные пакеты для моделирования МДЭ  обладают рядом общих при-

знаков:

33

трехмерное  представление,  как  геометрической  модели  аппарата,  так  и  самих  частиц. 

•

Пакеты предоставляют возможность импортирования трехмерных элементов оборудования из 

любого 3D CAD пакета;

встроенные контактные модели, позволяющие, в том числе моделировать слипание ча-

•

стиц;

мощная система визуализации. В процессе расчета/анализа можно просмотреть поведе-

•

ние частиц в любой области агрегата;

возможность получения необходимых сведений о любой частице (скорость, положение) 

•

в любой момент времени. Расчет объемных, массовых сил, моментов, потерь энергии при стол-

кновении частиц, и т.п;

возможность экспорта результатов расчета в сторонние приложения для анализа (напри-

•

мер, в табличный процессор);

Современные программные пакеты для расчета сыпучих сред позволяют создать (импор-

тировать)  трехмерную  геометрическую  модель  аппарата,  обеспечить  динамику  ее  составных 

частей (в т.ч. возможны линейное перемещение, колебания, вращение, перемещение с ускоре-

нием), генерацию частиц определенного количества и качества (геометрической формы, грану-

лометрического состава, и т.п.), обеспечить расчет взаимодействия частиц между собой и эле-

ментами геометрии (в соответствие с выбранными контактными моделями взаимодействия), а 

также обеспечить качественный анализ результатов с возможностью создания трехмерной ви-

зуализации движения и взаимодействия частиц.

Компьютерная модель объекта, в данном случае, может практически полностью отражать 

условия и масштабы проведения натурных экспериментов, т.е. “имитировать”  их. Данный под-

ход может быть особенно эффективен, если проведение натурных экспериментов на полномас-

штабных аппаратах невозможно или дорого. После проверки (валидации) “физичности” поведе-

ния определенного сыпучего материала в условиях изучаемого процесса, может быть проведен 

полномасштабный вычислительный эксперимент, который может помочь исправить ошибки и 

натолкнуть исследователя на конструктивные изменения. 

В нашем исследовании эффективность данного подхода оценивалась при создании устрой-

ства для разделения по крупности тонкодисперсных материалов, что требуется, например, при 

извлечении отсевов гранитного щебня крупностью порядка 0,1–0,2 для приготовления различ-

ных строительных смесей.

Для выделения таких классов крупности традиционно используются вибрационные грохота 

с металлической сеткой в качестве просеивающей поверхности. Срок службы такой сетки, чаще 

всего не превышает 5 суток. Другой проблемой является малая эффективность разделения мел-

ких классов, обусловленная забиванием отверстий сита “трудными” зернами. 

Для решения данной задачи было предложено использовать сегрегационный способ разде-

ления сыпучего материала по крупности, основанный на том, что по мере продвижения по ви-

брирующей поверхности, происходит его расслоение  по высоте слоя таким образом, что круп-

ные частицы «всплывают» наверх, а мелкие оказываются внизу [3]. 

Экспериментальные исследования по разделению сыпучего материала (отсев щебня) с ис-

пользованием отсекающей пластины (вариант 1, рис. 2) и ступени (вариант 2, рис. 3) для раз-

деления  слоев,  первоначально  проводились  на  специальном  вибрационном  стенде  [4]  “НПК 

“Механобр-техника”. Затем был выполнен расчет в программном пакете EDEM для расчета сы-

пучих сред и сравнение результатов. В качестве исходных данных был задан гранулометриче-

ский состав материала отвечающий экспериментальным исследованиям, геометрические пара-

метры, угол вибрации, амплитуда и частота колебаний. Контролировался выход мелкой фракции 

(– 0,18 мм) в нижний и верхний продукт.

Проведенный вычислительный  эксперимент для 1-го варианта устройства подтвердил ма-

лую эффективность применения отсекающей пластины (материал забивался между отсекающей 

пластиной и лотком, что обуславливало, в том числе и малую производительность), показанную 

также при испытаниях на вибрационном стенде.

В связи с вышеприведенными недостатками по результатам натурных и вычислительных 

экспериментов, в т.ч. на основе созданной в программном пакете трехмерной анимации было 

принято новое конструктивное решение (вариант 2, рис. 3).

34

Изменения в конструкции обеспечило беспрепятственный проход частиц по лотку и отсев 

мелкой фракции, проваливающийся в объемную щель, образованную лотком и “ступенью”(см. 

рис. 3). 

Содержание в исходном материале мелкой фракции (– 0,18 мм) в экспериментах и в модели 

составляло 11,61 % (соответственно, крупной фракции + 0,18 мм  – 88,39 %). 

Рис.2 – Трехмерная модель(а) и  схема модели 

вибрационного классификатора(б)         (вари-

ант 1)

Рис. 3 – Трехмерная модель(а) и схема 

модели вибрационного классификатора(б) 

(вариант 2)

где  À –  амплитуда  колебаний  лотка;  w   –  частота  колебаний  лотка;θ,  β  –  угол  между  

направлением  вибрации и рабочей поверхностью лотка; h – расстояние между отсекающей 

пластиной(ступенью) и поверхностью лотка ; а – ширина ступени.

В результате натурного эксперимента и компьютерного моделирования получены, в част-

ности, следующие результаты: содержание в нижнем продукте мелкой фракции (– 0,18 мм) – в 

эксперименте 22,35 %, в модели 24,51 % (соответственно, верхней фракции в этом продукте 

77,65 % и 75,49%). Содержание в верхнем продукте мелкой фракции – в эксперименте 4,63 %, в 

модели 0,07 % (соответственно, крупной фракции 95,37 % и 99,93%).

Выводы:

исследования  подтверждают  качественное  совпадение  результатов  натурного  экспери-

•

мента и моделирования с помощью метода дискретных элементов

ценным при моделировании является визуальное представление процесса в виде 3D ани-

•

мации, что упростило принятие нового конструктивного решения и позволило выявить следу-

ющие эффекты: процесс сегрегации начинает осуществляться еще в бункере; сосредоточение 

мелкой фракции под действием вибрации наблюдается вблизи стенок  лотка;

имитационное моделирование является одним из методов, позволяющих оценить систе-

•

му и её реакцию на возмущения по ряду показателей, и дает возможность одновременного рас-

смотрения и оценки нескольких альтернативных вариантов проектных решений.

данный подход позволяет сократить количество и продолжительность натурных экспери-

•

ментов, тем самым существенно сокращает затраты на создание новой продукции.

Полученные результаты исследований с применением прикладного программного пакета 

для расчета сыпучих сред с помощью метода дискретных элементов процесса разделения по 

крупности на сегрегационном устройстве позволили перейти к следующему этапу проектирова-

ния – созданию модели промышленного виброклассификатора[5].

35

литература:

1. Cundall P.A., Strack O.D.L., A distinct element model for granular assemblies. Geotechnique, 29:47—65, 1979.

2. Williams,  J.R.,  Hocking,  G.,  and  Mustoe,  G.G.W.,  “The Theoretical  Basis  of  the  Discrete  Element  Method,  “ 

NUMETA 1985, Numerical Methods of Engineering, Theory and Applications, A.A. Balkema, Rotterdam, January 1985

3. Вайсберг Л.А., Рубисов Д.Г. Вибрационное грохочение сыпучих материалов. СПб: Механобр, 1994. 47 с.

4. Блехман Л.И., Вайсберг Л.А., Лавров Б.П., Васильков В.Б., Якимова К.С. Универсальный вибрационный 

стенд:  опыт  использования  в  исследованиях,  некоторые  результаты//  Научно-технические  ведомости  СПбГТУ, 

2003, № 3,с. 224–227.

5. Исследования модели виброклассификатора (щелевого грохота)/ Бортников А.В., Васильков В.Б., Самуков 

А.Д., Ромашев А.О. // Обогащение руд.– 2011 № 4.–

Алферова Елена Леонидовна

Институт горного дела СО РАН, Новосибирск, Россия

 

моделирование воздухораспределениЯ от действиЯ естественной 

тЯги в вентилЯционной сети метрополитена мелкого залоЖениЯ

Введение

Использование механической тоннельной вентиляции метрополитена в условиях мелкого 

заложения и резко-континентального климата Западной Сибири носит сезонный характер. Из 

опыта эксплуатации Новосибирского метрополитена следует, что в холодный период прове-

тривание с использованием механической вентиляции ведет к переохлаждению тоннельного 

воздуха ниже допустимых по нормам значений, поэтому тоннельная вентиляция в этот период 

осуществляется только за счет поршневого действия поездов и естественной тяги (ЕТ)[1].

Такие особенности метрополитена мелкого заложения (ММЗ), как большое количество вы-

ходов в атмосферу и мелкое заложение, по причине которого воздух при движении в тоннель не 

успевает прогреться, ограничивают использование термодинамического метода, применяемого 

для шахт и рудников [2,3]. При расчете аэрации методом фиктивных давлений [4] не учиты-

ваются внутренние сопротивления участков сети, поэтому этот метод также не применим, но 

с его помощью можно проверить адекватность разработанной модели [5]. На основе анализа 

изложенных выше методов, с учетом специфики ММЗ, для расчета величины депрессии ЕТ с 

использованием упрощенной модели вентсети ММЗ принят гидростатический метод.

Численное моделирование проведено с использованием программного комплекса для рас-

чета шахтного воздухораспределения, разработанного в ИГД СО РАН.

Условия и допущения, принятые в модели:

– процесс рассматривается стационарный (установившийся);

– температура тоннельного воздуха постоянна по всей длине тоннеля для холодного перио-

да года равна +16 

о

С;

– температура воздуха в выходах в атмосферу равна температуре наружного воздуха на при-

точных выходах и температуре тоннельного воздуха на вытяжных;

– считается, что давление внутри тоннеля и атмосферное изменяется по гидростатическому 

закону;

– действие естественной тяги между соседними выходами в атмосферу заменяется действи-

ем фиктивных вентиляторов (рис.1, ветки 21, 23, 25, 27, 29, 31, 33, 35, 37);

– схема сети для расчета воздухораспределения состоит из участков «перегон» и «выход на 

поверхность» с аэродинамическими сопротивлением, полученным на основе эксперименталь-

ных данных [1].

влияние топологии на воздухораспределение (базовый численный эксперимент) 

Базовый численный эксперимент проводится, чтобы в дальнейшем оценить влияния началь-

ных условий. В самом же эксперименте используются опытные исходные данные по заданию 

топологии и сопротивлений участков сети. Тоннельная вентиляция отключена, вентиляционные 

тоннели перекрыты. Исследование проводится на линии из десяти станций (рис. 1) с постоян-

ным уклоном в одну сторону.

36

  Исходные данные: 

  Температура наружного воздуха – t

н

 = –20 

о

С; тоннельного – t

т

 = +16 

о

С; 

  Превышение между выходами в атмосферу при длине перегонов 1 км и уклоне тоннеля 

0,01 – h

п

 = 10 м; глубина заложения станции – h

в

 = 5 м; 

Рис.1. Расчетная схема сети, указаны номера ветвей, кругами обведены номера узлов.

Аэродинамическое сопротивление перегонов – R

п

 =0,00036 кµ, выходов – R

в

 =0,00464 кµ. 

Давление фиктивных источников естественной тяги:

для  «вентилятора», находящегося между приточным и вытяжным отверстием  (на ветке 

29):

 

для остальных (на ветках 21, 23, 25, 27, 31, 33, 35, 37): 

Результат расчета представлен на рис.2 (здесь и далее стрелками показано направление дви-

жения воздуха, числа около стрелок – расход воздуха на участке, м

3

/с). Видно, что воздухообмен 

на платформах станций составляет от 26,5 м

3

/с на крайних до 75,7 м

3

/с на средней станциях. Та-

кой расход сравним с расходами от действия тоннельной вентиляции с вентиляторами ВОМД-24.

Рис.2. Воздухораспределение в сети в базовом эксперименте, стрелками показано направление 

движения воздуха, возле стрелок указаны расходы, м

3

/с. 

37

влияние температуры наружного воздуха 

Расчетная схема сети и исходные данные такие же, как в базовом эксперименте, за исключе-

нием того, что  температуру  наружного воздуха принимаем равной расчетной зимней для города 

Новосибирска, t

н

= –39 

о

С[6].

Давление фиктивных источников естественной тяги:

для  «вентилятора», находящегося между приточным и вытяжным отверстием  (на ветке 29):

 

для остальных (на ветках 21, 23, 25, 27, 31, 33, 35, 37): 

Результат расчета на рис.3  – расходы воздуха выросли с 26,5 до 34,1  м

3

/с на крайних стан-

циях и с  75,7 м

3

/с до 97,3 на средней станции, т.е. на 28%.

Рис. 3. Воздухораспределение в сети при температуре наружного воздуха при –39

 о

С

Чтобы оценить влияние изменения температуры наружного воздуха на воздухораспределе-

ние, принимаем такую температуру наружного воздуха, при которой включаются тоннельные 

вентиляторы – t

н

=+10 

о

С. 

Давление фиктивных источников естественной тяги:

для  «вентилятора», находящегося между приточным и вытяжным отверстием  (на ветке 29):

 

для остальных (на ветках 21, 23, 25, 27, 31, 33, 35, 37):

 

Результат расчета представлен на рис.4  – расходы воздуха снизились с 26,5 до 11,9 м

3

/с на 

крайних станциях и с  75,7 м

3

/с до 33,8 на средней станции, т.е. на 55%.

Рис. 4. Воздухораспределение в сети при температуре наружного воздуха при +10

 о

С

38

влияние сопротивления участков сети

Увеличиваем в два раза сопротивление перегонов, сопротивление выходов не меняется. Рас-

четная схема сети,,  давления фиктивных источников естественной тяги и исходные данные та-

кие же, как в базовом эксперименте, кроме того, что R

п

 =0,00072 кµ. 

Результат расчета представлен на рис.5.

Рис. 5. Воздухораспределение в сети при увеличенном сопротивлении перегонов

Увеличиваем в два раза сопротивление выходов на поверхность, сопротивление перегонов 

не меняется. Расчетная схема, давления фиктивных источников естественной тяги, как в базовом 

эксперименте, за исключением R

в

 =0,00928 кµ.

Результат расчета представлен на рис.6.

Рис. 6. Воздухораспределение в сети при увеличенном сопротивлении

выходов на поверхность

жүктеу/скачать 8,61 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: