Исследования течения сыпучих материалов в сходящихся радиальных каналах

Внедрение: 2018  г.

Авторы статьи [1] исследуют течение сыпучих материалов в сходящихся радиальных каналах путем решения трехмерной задачи методом конечных элементов. Расчеты сравниваются с лабораторными экспериментальными данными. Данное исследование актуально, например, в горнодобывающей промышленности: выгрузка из бункеров в проходы руды и т. д. 

В данной работе авторы использовали оригинальные датчики, обладающие требуемой чувствительностью для исследования напряженного состояния сыпучего материала в лабораторных условиях. Чувствительным элементом датчика нормального напряжения сыпучего материала была балка из пружинной стали, жестко прикрепленная к стальной раме с двух сторон. В качестве тензодатчика на внутреннюю сторону балки наклеивалась тензорозетка. Размер розетки подбирался таким образом, чтобы тензодатчики на противоположных сторонах попарно расширялись и сужались для обеспечения максимальной чувствительности датчика. Температурная погрешность датчика была уменьшена за счет того, что тензодатчики из материала, имеющего коэффициент температурной компенсации, соответствовали тепловому расширению балки. Датчик напряжения сдвига определяет тяговые усилия при сдвиге двух пластин, прижатых друг к другу и помещенных в гранулированную среду (рисунок 1). 

Рисунок 1. Конструкция датчика напряжения сдвига: 1 – крышка; 2 – низ; 3 – тензодатчики; 4 – стальные шарики; 5 – эластичная оболочка; 6 – контакты тензодатчиков.

Конструкция датчика полностью исключает влияние нормальных напряжений на измерение акустических напряжений, а тепловая компенсация достигается благодаря близкому расположению всех тензодатчиков. Датчики подключаются к модулям LTR212M‑1 системы сбора данных LTR. Система обеспечивает усиление, оцифровку и синхронную запись сигналов.

На рисунке 2 представлен общий вид экспериментального щелевого бункера. Во время движения цветные частицы создают поток маркеров, чтобы визуализировать траекторию потока. Измерение выполняется четырьмя датчиками напряжения сдвига и четырьмя датчиками нормального напряжения. В испытаниях использовался кварцевый песок.

Рисунок 2. Бункер щелевой, общий вид: 1 – сходящиеся стенки; 2 – затвор сливного отверстия; 3 – прозрачная передняя стенка; 4 – исходное сопло маркерной струи. 

На рисунке 3 показаны характерные эпюры нормальных и касательных напряжений (рисунок 3а и 3б соответственно), измеренные нижними датчиками τ₂σ₂ и τ₄σ₄ (см. рисунок 2) при разгрузке частиц кварцевого песка размером 0,3 мм.

Рисунок 3. Диаграммы нормальных (а) и сдвиговых напряжений (б), измеренных в потоке частиц кварца размером 0,3 мм нижними датчиками τ₂σ₂ и τ₄σ₄.

Кривые отображают пульсирующий характер напряжений при разряде. Максимальная амплитуда нормальных напряжений составляет не более 5 % от статического давления, а амплитуда касательных напряжений составляет 70 % от среднего значения. Видно, что внешние стационарные условия не делают напряжения стационарными. Соответственно, и течение не является стационарным. Это также видно по кинематике потока.

Рисунок 4. Деформация потока окрашенных частиц в фиксированные моменты времени.

Среди выводов статьи авторы отмечают: 

• Лабораторные эксперименты с использованием оригинальных датчиков напряжения показывают пульсирующий характер напряжений.
• Сравнение экспериментальных и расчетных параметров потока демонстрирует их хорошую согласованность.

Источник:
AP Bobryakov et al 2018 IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 134 012007. DOI: 10.1088/1755-1315/134/1/012007

Разработчик: Бобряков А.П., Клишин С.В., Косых В.П., Ревуженко А.Ф. (Институт горного дела им. Чинакала СО РАН, г. Новосибирск)