Численное исследование влияния вибраций на взаимодействие в ансамбле газовых пузырьков и твердых частиц в жидкости

Аннотация

Известно, что линейно-поляризованные поступательные вибрации могут приводить к многократному увеличению сечения захвата осаждающихся твердых частиц всплывающим в жидкости одиночным газовым пузырьком. Данный факт имеет важное теоретическое и прикладное значение в использовании вибраций для интенсификации процесса флотации, в котором всплывающих пузырьков участвует множество. В настоящей работе в рамках двухмерной постановки задачи численно исследован захват твердых частиц ансамблем газовых пузырьков в жидкости, которая подвергается воздействию высокочастотных вибраций малой амплитуды. В качестве инструмента численного решения применен пакет ANSYS Fluent. Полученные поля осредненной и пульсационной компонент скорости течения обрабатывались затем собственным кодом с целью вычисления траекторий движения малых частиц из некоторого, расположенного в расчетном домене, «облака». При описании сил, действующих на частицу, учитывались присоединенная масса жидкости, сила тяжести с архимедовой силой, сила Стокса, наследственная сила Бассэ, а также вибрационная сила, возникающая вследствие неоднородности пульсационного поля. Расчеты проводились для миллиметровых пузырьков воздуха в воде при характеристиках частиц, важных для процесса флотации. Показано, что влияние вибраций значительно ослабляется внутри ансамбля пузырьков в результате эффекта «экранирования», который в полной мере проявляется при предельно высокой частоте вибраций и слабо зависит от расстояния между пузырьками. Однако вибрации не слишком высокой частоты, при которых проявляется сжимаемость газа в пузырьках, при достаточной интенсивности их возбуждения, способны все же проникать вглубь объема жидкости и тем самым увеличивать область захвата частиц.