Моделирование взаимодействия капель связующего с минеральным волокном

И.А. Степура
Ведущий инженер-технолог, Московская область, г. Балашиха, тел.: +79156723688; StepLion@yandex.ru

ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ.
Кафедра «Химия и химические технологии».
МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ на тему: «Моделирование взаимодействия капель связующего с минеральным волокном» по направлению подготовки (специальность) 18.04.01 – Химическая технология.
Программа магистратуры: «Химия и технология продуктов основного органического и нефтехимического синтеза».
Автор: И.А. Степура.
Обозначение магистерской диссертации: ТГТУ.18.04.01.010 МД ДЭ.
Обозначение документа: ТГТУ.18.04.01.010 МД ТЭ–ТЛ.
Руководитель магистерской диссертации: А.А. Дегтярев.
Дата защиты: 28 июня 2023 года.

Содержание работы

Введение … 6
Литературно-патентный обзор … 8
Определение проблемы и постановка задачи … 23
Исследование влияния поверхностно-активных веществ на значение краевого угла смачивания … 33
Моделирование гидродинамики взаимодействия связующего с минеральным волокном … 35
Заключение … 50
Список использованных источников … 51

Введение

Процесс взаимодействия капли жидкости с цилиндрической поверхностью достаточно часто встречается в современном мире и также весьма популярен в производстве. Тонкие струи жидкости и жидкие пленки на цилиндрических элементах в большинстве случаев нестабильны и будут распадаться на серию или массив мелких капель из-за нестабильности Плато-Рэлея. Моделирование этого явления может быть полезным для производства изоляционных материалов на основе минерального волокна.

Целью данной работы является моделирование взаимодействия капли связующего с цилиндрической поверхностью, имитирующее волокно и определение влияния размера капли, скорости движения капли и краевого угла смачивания, а также определение остатка связующего на волокне после взаимодействия. В данной работе произведен: обзор методов моделирования взаимодействия капли с цилиндрической поверхностью или волокнами; обзор программного обеспечения моделирования гидродинамических процессов; определение краевого угла смачивания связующего раствора методом сидячей капли; экспериментальное исследование эффективности смачивателей на поверхности застывшего минерального расплава с целью определения краевого угла смачивания; моделирование гидродинамики взаимодействия связующего с минеральным волокном.

Для решения поставленной задачи использован подраздел механики сплошных сред вычислительная гидродинамика на основе математического моделирования программного обеспечения OpenFOAM с открытым исходным кодом, использующего метод контрольных объёмов.

Определение проблемы и постановка задачи

Процесс производства минерально-ватных изделий выстроен в технологическую непрерывную конвейерную линию. Основную горячую часть технологического процесса составляет получение минерального расплава путем расплавления многокомпонентной шихты в плавильном агрегате. В качестве сырья используются горные породы габбро-базальтовых групп, флюсы и доменный шлак. Полученный жидкий минеральный расплав перерабатывают в тончайшее волокно центробежно-валковым способом во второй горячей части техпроцесса. Волокна сдуваются с валков центрифуги потоком воздуха, в это же время волокна обрабатываются синтетическим связующим раствором методом распыления.

Качество сформированного ковра, воспринимаемое качество и физико-механические свойства выпускаемой продукции во многом зависят от процесса обработки волокон связующим раствором. Немаловажную роль играет эффективность использования связующего, который является самым дорогим компонентом в производстве. В процессе нанесения связующего на волокно часть раствора теряется и уносится в фильтрующие элементы. В основном эффективность использования связующего на производственных площадках составляет от 50 % до 80 %.

Этот процесс и был выбран для данного исследования.

Моделирование гидродинамики взаимодействия связующего с минеральным волокном

Рис. 22. Модель 1. Скорость движения капли 10 м/с, диаметр капли 200 мкм, краевой угол смачивания 20°

Рис. 27. Модель 6. Скорость движения капли 10 м/с, диаметр капли 100 мкм, краевой угол смачивания 40°

Рис. 32. Модель 11. Скорость движения капли 20 м/с, диаметр капли 50 мкм, краевой угол смачивания 20°

По результатам математического моделирования была построена регрессионная модель. Для аппроксимации остатка жидкости на цилиндре от скорости капли и её диаметра использована зависимость на основании функции ошибок, т.к. её легко масштабировать на интервале, в данном случае от 0 до 100 %:

z = k ⋅ (erf (a ⋅ v + g) + erf (b ⋅ d ⋅ v + f) + erf (c ⋅ d + e)) + k,

где: v – скорость; d – размер капли; z – процент остатка жидкости.

Рис. 36. Аппроксимация результатов моделирования: v – скорость, d – размер капли, z – процент остатка жидкости

Заключение

Эта работа показала возможность точного моделирования столкновения капли жидкости с волокном и появление жидкой пленки, покрывающей цилиндр.

Был выбран решатель multiphase interFoam laminar damBreakWithObstacle.

Решатель позволяет рассчитать объем смачивателя, оставшийся на поверхности волокна. По итогам было выяснено, что экономически предпочтительный механизм, при котором достигается наибольшая эффективность взаимодействия минерального волокна с каплями связующего, протекает с каплями диаметром 50 мкм со скоростью столкновения 10 м/с. Однако, наибольшее количество остатка связующего на волокнах в абсолютных величинах увеличивается по мере увеличения размера капли. Увеличение скорости влечет за собой снижение остатка на волокне, но позволяет обработать большее количество волокон, встречающихся на пути ее движения. В прикладном аспекте предпочтительна капля 200 мкм со скоростью 20 м/с, так как обработает большее количество волокон.

На основе обработки результатов математического моделирования делаем вывод, что для каждого процесса обработки волокон связующим раствором необходимо подбирать размер и скорость капель, учитывая плотность и количество волокон в единицу времени для получения максимально возможной эффективности использования связующего.

Всю статью Вы можете скачать по этой ссылке: https://disk.yandex.ru/d/lX3-Z8RfjY3Ddw

Рисунки 22–33 к статье в большом размере Вы можете посмотреть и скачать здесь: https://disk.yandex.ru/d/QsTRtx5PDQznEg

Моделирование столкновения капли Ø50 мкм и волокна Ø10 мкм на скорости 10 м/с, угол смачивания 40°

https://youtube.com/shorts/elVH0qWQsZs?feature=share

Визуализация результатов математического моделирования взаимодействия капель связующего с минеральным волокном (все модели на канале И.А. Степура): https://www.youtube.com/playlist?list=PLwOT_ivwCOcc4BSObkms3dXQ9QZQJnnff