Моделирование движения частиц пыли в циклоне-пылеулавливателе в экстремальных условиях (на примере Марса)

Вработе рассматривается проблема, связанная с извлечением пыли из контролируемой среды обитания людей, при колонизации планеты Марс. Проводится эксперимент по моделированию движения частиц пыли в циклоне относительно его применения на Марсе и Земле. Эксперимент проводился в программе ANSYS. Сформулирована и доказана гипотеза о неодинаковости движения частиц пыли в циклоне в условиях Земли и Марса. На основании результатов эксперимента, разработаны рекомендации для конструкции и материального исполнения циклона-пылеулавливателя, эксплуатируемого в экстремальных условиях планеты Марс.

Ключевые слова: колонизация, космическое здравоохранение, Марс, пыль, пылеудаление, циклон-пылеулавливатель, модель, моделирование, ANSYS.

Актуальность темы.Первые колонизаторы высадятся на Марсе на постоянное поселение к 2032 году, заявил один из руководителей программы Mars One Бас Лансдорп. Целью программы Mars One является колонизация Красной планеты [14]. Вопреки ожидаемым прогнозам, эксперты в области космического здравоохранения высказывают мнение о том, что колонизация Марса займет гораздо больше времени, чем предполагалось. Причиной задержки может оказаться марсианская пыль.

Марсианская пыль может представить серьезную опасность из-за её проникновения в контролируемую среду обитания людей и как следствие возникновения трудностей, связанных с её извлечением [3]. Как вариант эффективного пылеудаления и очистки «марсианского воздуха» может быть циклон-пылеулавливатель.

Новизна темы исследования и современное положение исследуемой области. В рамках программы по оценки и прогнозированию всевозможных рисков для астронавтов, а также расчета количества необходимого провианта, воздуха, воды и других жизненно важных ресурсов, был разработан алгоритм Mars Settlement Analysis Tool. General Mission Analysis Tool (GMAT) — единственная в мире многофункциональная корпоративная программная система с открытым исходным кодом для проектирования, оптимизации и навигации космических миссий [2].

В свою очередь испанские планетологи разработали имитатор Марса, который повторяет температуру, состав атмосферы, освещенность и радиационный фон этой планеты. В настоящее время исследователи занялись изучением поведения марсианской пыли, которая является одним из главных препятствий для изучения Красной планеты. Как утверждают ученые, испытания в имитаторе помогут понять, что происходит с приборами при накоплении на них пыли, а также позволит выработать новые решения по их защите.

Принцип действия имитатора Марса. Вакуумная камера построена на модульной конструкции и работает при давлениях от 1000 до 10–6 мбар, так как в этом диапазоне давлений можно контролировать состав газа (атмосферу). Исследуемое устройство (или образец) можно облучать источником ультрафиолета, а его температуру можно регулировать в диапазоне от 108 до 423 К. Камера включает в себя механизм образования пыли, предназначенный для изучения осаждения марсианской пыли при изменении условий температуры и УФ-излучения [18].

В качестве примеров разработок пылеулавливателей (циклонов) можно рассматривать изобретения по патентам РФ № № 2159144 [9], 98117425 [10], 94003081 [11].

Например, «Струйно-инерционный пылеуловитель» — патент РФ № 2102115. Данный пылеуловитель содержит щелевое сопло для подачи загрязненного газа, ориентированное вниз тангенциально к криволинейной поверхности, камеру осаждения и направляющий щиток. Работа пылеуловителя основана на использовании эффекта Коанда. Поток газа изменяет свое направление на криволинейной поверхности, а частицы пыли продолжают лететь под действием сил инерции в бункер для сбора пыли. С помощью направляющего щитка создается вторичный циркуляционный поток, в котором происходит дополнительное осаждение пыли. Данный пылеуловитель позволяет очищать газ от крупно- и среднедисперсной пыли, мелкодисперсная пыль улавливается недостаточно. Кроме того, пылеуловитель данной конструкции сложен в изготовлении [12].

Таким образом, в циклонных пылеуловителях дисперсные частицы летят под действием сил инерции и, встречая препятствия, например стенки циклонов, теряют энергию и под действием сил гравитации собираются в пылесборники. Такие пылеуловители неплохо улавливают крупные дисперсные частицы, но мелкая пыль, имеющая небольшую массу, как правило, увлекается выходящим потоком газа.

Гипотеза. Характер движения твердых частиц пыли в циклоне на Марсе и на Земле будут не одинаков.

Задачи, поставленные на пути к цели:

1) рассмотреть теоретические аспекты функционирования циклона — пылеулавливателя;

2) определить показатели, влияющие на движение частиц пыли в циклоне;

3) провести эксперимент по моделированию движения частиц пыли в циклоне относительно его применения на планете Марс и Земля;

4) разработать рекомендации для конструирования циклона, эксплуатируемого в экстремальных условиях Марса.

Объект исследования.Циклон — аппарат сухой очистки газов от пыли.

Предмет исследования. Математическая и графическая модель движения частиц пыли в циклоне в сравнительном аспекте применительно к планете Марс и Земля.

Методы и инструменты исследования. Эксперимент по моделированию движения частиц пыли в циклоне относительно его применения на планете Марс и Земля, был проведен методом конечно-элементного анализа [8].

И так, рассмотрим теоретические аспекты функционирования циклона — пылеулавливателя. Циклонные пылеуловители, чаще называемые просто циклонами. Циклон — это аппарат сухой очистки газов от пыли, где газовый поток вводится через патрубок по касательной к внутренней поверхности корпуса и совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса к бункеру [15]. Для технической реализации инерционного осаждения пыли в циклоне используется конструктивное решение, являющееся базовым для всех многочисленных конструкций. Классический вариант циклона-пылеуловителя представлен следующими конструктивными элементами (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция циклона-пылеуловителя [15]

Под действием центробежной силы частицы пыли образуют на стенках циклона пылевой слой, который постепенно опускается в бункер. Отделение частиц пыли от газа, попавшего в бункер, проходит при повороте газового потока в бункере. Освободившись от пыли, газовый поток образует вихрь и выходит через выходную трубу.

Циклоны имеют по сравнению с другими пылеуловителями следующие преимущества: высокая эффективность очистки воздуха; стабильность гидравлического сопротивления; большой диапазон производительности.

Недостатками циклонов являются: высокое гидравлическое сопротивление (до 1500 Па); большие габаритные размеры; плохо компонуются с другими элементами пневмосистем [16].

Для представления принципа функционирования циклона необходимо определить показатели, влияющие на движение частиц пыли в циклоне [6].

На частицу пыли, проходящую в потоке циклона, действует: сила тяжести [17]; сила сопротивления среды; центробежная сила. Центробежная сила направлена по радиусу к стенкам циклона и определяется по формуле (1) [1]:

Степень очистки в циклоне зависит от дисперсного состава частиц пыли в поступающем на очистку газе. Для распространённых циклонов степень очистки может достигать для частиц с условным диаметром: 20 микрон — 99,5 %; 10 микрон — 95 %; 5 микрон — 83 % [7].

Делая вывод, мы можем с уверенностью констатировать: для проведения эксперимента по моделированию движения частиц пыли в циклоне — пылеулавливателе эксплуатируемого в экстремальных условиях планеты Марс, нам необходимы элементарные познания в геологии и атмосфере Марса [5].

Агентство NASA опубликовало фотографии марсианского ландшафта, сделанные в рекордном на сегодняшний день разрешении. Снимки были сделаны марсоходом Curiosity в период с 24 ноября по 1 декабря 2019 года [19]. Разрешение одной из присланных панорам составляет 1,8 миллиарда пикселей, а второй — 650 миллионов пикселей (рис.2).

Рис. 2. Фотографии марсианского ландшафта. А) песок и грунт; Б) пылевые барханы [19]

Результаты исследования марсианского грунта посадочными аппаратами показали, что преобладающей фракцией являются мелкие песчаные и пылевые частицы [5]. Материал эоловых наносов характеризуется размером зерен 0.1–10 мкм, материал не сдуваемого грунта , а также каменистого грунта имеет размер зерен от 0.1 мкм до 1.5 мм., реголит состоит из крупного песка и гравия с диаметром частиц до 6 мм. [4].

Согласно показаниям радара, путем косвенных расчетов с использованием измерений тепловой инерции и оценок величин сцепления: плотность реголита в 1.2–1.5 г/ см³; материал эоловых наносов 1.0–1.3 г/ см³; грунт с коркой и комковатый грунт 1.1–1.6 г/ см³; каменистый грунт 1.2–2.0 г/ см³; песок 1.1–1.3 г/ см³.

Таким образом, грунт Марса состоит из глины–мелкая пыль, мелкая пыль–средний песок, тонкий песок–мелкий гравий, тонкий–мелкий песок [4].

Результаты анализа эксперимента. Эксперимент проводился в программе ANSYS (рис.3). ANSYS это универсальная программная система конечно-элементного анализа [8].

Рис. 3. Модель потока частиц пыли в циклоне. А), Б) — в условиях Марса; В), Г) — в условиях Земли

– движения частиц пыли в «марсианском» циклоне хаотично и более разрозненно по сравнению с вихревым потоком частиц пыли «земного» циклона (рис.3 (А)).

– под действием центробежной силы, частицы пыли образуют на стенках циклона, гипотетически эксплуатируемого на планете Марс, пылевой слой, более плотный по структуре создавая давление и повышая тем самым максимальное значение напряжения и температуры нагрева стенок корпуса циклона (рис.3 (Б)).

– скорость движения частиц быстрее в земном циклоне по сравнению с «марсианским» (рис.3 (В)).

– движение частиц пыли в «земном» циклоне направленно к центру корпуса, сконцентрировано по центру в один «монотонный» вихревой поток (рис.3 (Г).

Таким образом, из выявленных особенностей движения частиц пыли в циклоне на планете Марс и Земля следует: гипотеза, выдвинутая в начале работы, о том, что характер движения твердых частиц пыли в циклоне на Земле и на Марсе не одинаков — подтверждается.

Подтверждение гипотезыобъясняется разностью земной и марсианской гравитацией, плотностью газа и пыли,силы сопротивления средыицентробежной силы.Всвязи с этим делаем вывод о необходимости внесения изменений в конструкцию «земного» циклона и его материальное исполнение с учетом выявленных особенностей для эксплуатации его на Марсе.

Рекомендации для конструкции и материального исполнения циклона-пылеулавливателя, эксплуатируемого в экстремальных условиях планеты Марс:

– изменить форму конического днища и цилиндрической обечайки корпуса «земного» циклона на более широкое в диаметре;

Увеличение в диаметре корпуса приведет к тому, что: частицы марсианской пыли в вихревом потоке будут стремится к стенкам корпуса дольше по времени теряя при этом температуру и не создавая точечного (сконцентрированного в определенном месте) напряжения не подвергая тем самым износу материал из которого сделан циклон; широкий в диаметре цилиндр и корпус циклона (коническое днище циклона, цилиндрическая обечайка корпуса циклона) не потребует частой чистки; узкий в диаметре корпус циклона повышает степень очистки, однако увеличиваются затраты на чистку аппарата и металлоёмкость, а этот процесс затруднителен на Марсе, так как нет (пока) возможности для частого монтажа и чистки оборудования, учитывая экстремальные условия этой планеты.

– рекомендуем применение циклона батарейного типа;

В зависимости от объёмов воздуха, подлежащего очистке, циклоны производятся: одиночные, включающие один аппарат и циклоны батарейного типа (несколько прямоточных циклонов совмещены в один пылеулавливающий аппарат).

Предполагается, что объем марсианского воздуха, требуемого для качественного проживания колонистов на Марсе будет большим, то применение циклона батарейного типа будет целесообразно.

Отметим, что большое содержание хлора в атмосфере Марса будет способствовать и создавать благоприятные условия для окисления металла поэтому, как выход, можно предложить:

– подобрать материал с жаростойким, тугоплавким и коррозиеустойчивым эффектом;

– выполнить оксидирование по внешнему и внутреннему контору корпуса циклона.

Как вариант для материального исполнения корпуса циклона можно предложить сталь с высокой коррозийной стойкостью, получаемой с помощью горячего цинкования [13].

Оксидирование — один из самых действенных методов повышения антикоррозионной стойкости. За счет образования плотного защитного покрытия: увеличивается прочность и долговечность изделий; повышаются диэлектрические свойства; в местах повреждения, покрытие имеет свойство восстанавливаться; оксидирование препятствует водородному охрупчиванию; служба такого покрытия — 60–125 лет.

В заключении отметим, что моделирование движения частиц пыли в циклоне в программе ANSYS, позволило разработать рекомендации для конструкции и материального исполнения циклона — пылеулавливателя, эксплуатируемого в экстремальных условиях планеты Марс.

Литература:

1. Арепьев, А. Е. Применение математики в сфере защиты среды обитания, на примере расчета и выбора циклонного аппарата очистки типа ЦНнииогаза // В сборнике: Математика и ее приложения в современной науке и практике сборник научных статей Научно-практической конференции студентов и аспирантов с международным участием. — 2014. — С. 218–223.
2. Виртуальный институт малых космических аппаратов // Официальный сайт NASA. — URL: https://www.nasa.gov/smallsat-institute/space-mission-design-tools (дата обращения: 06.03.2021).
3. Горина А. Токсичная пыль может помешать колонизации Марса // Вести.ru. — URL: https://nauka.vesti.ru/article/1037942 (дата обращения: 01.04.2019).
4. Демидов Н. Э. Грунт марса: разновидности, структура, состав, физические свойства, буримость и опасности для посадочных аппаратов / Н. Э. Демидов, А. Т. Базилевский, Р. О. Кузьмин // Астрономический вестник. Исследования Солнечной системы. — 2015. — Т. 49. — № 4. — С. 243–261.
5. Егоров В. Что мы знаем о Марсе? // Новостной сайт Хабр. — Москва, 2006. — URL: https://habr.com/ru/post/369555/ (дата обращения: 01.04.2019).
6. Замалиева, А. Т. Изменение аэродинамических свойств и эффективности в циклонных аппаратах посредством численных и натурных исследований / А. Т. Замалиева // Вестник Технологического университета. — 2015. — Т. 18. — № 4. — С. 134–137.
7. Ильичёв, В. В. Выбор устройств для улавливания пыли в зависимости от условий их функционирования / В. В. Ильичёв // Вестник НГИЭИ. — 2014. — № 10 (41). — С. 73–81.
8. Куроедова, В. В. Моделирование аэродинамических процессов в циклоне / В. В. Куроедова // Молодежный научно-технический вестник. — 2015. — № 3. — С. 11.
9. Патент № 2159144, Российская Федерация, B01D 45/06 (2000.01): заявл. 15.09.1998: опубл. 20.11.2000 / Квашнин И. М., Зубарева О. Н., Каравайкин А. Н., Юнкеров Ю. И.; заявитель Пензенская государственная архитектурно-строительная академия// Федеральный институт интеллектуальной собственности. — URL: https://www1.fips.ru/iiss/document.xhtml?faces-redirect=true&id91c (дата обращения: 04.04.2019).
10. Патент № 98117425, Российская Федерация, B01D 45/06 (2000.01): заявл. 15.09.1998: опубл. 10.09.2000 / Квашнин И. М., Зубарева О. Н., Каравайкин А. Н., Юнкеров Ю. И.; заявитель Пензенская государственная архитектурно-строительная академия// Федеральный институт интеллектуальной собственности. — URL: https://www1.fips.ru/iiss/document.xhtml?facesredirect=true&id=b7c5eeeecb6c33 (дата обращения: 04.04.2019).
11. Патент № 94003081, Российская Федерация, B01D 45/06 (1995.01). Струйно-инерционный пылеуловитель: 94003081/26: заявл. 26.01.1994: опубл. 19.06.1995 /Квашнин И. М., Юнкеров Ю. И.; заявитель Пензенский инженерно-строительный институт // Федеральный институт интеллектуальной собственности. — URL: https://www1.fips.ru/iiss/document.xhtml?facesredirect=true&id=e88fdca9066f9 (дата обращения: 04.04.2019).
12. Патент № 2102115, Российская Федерация, МПК B01D 45/06 (1995.01). Струйно-инерционный пылеуловитель: 94003081/25: заявл. 26.01.1994: опубл. 20.01.1998 / Квашнин И. М.,
13. Юнкеров Ю. И.; заявитель Пензенский инженерно-строительный институт // Федеральный институт интеллектуальной собственности. — URL: https://www1.fips.ru/iiss/document.xhtml?facesredirect=true&id=0092fae1cf. (дата обращения: 04.04.2019).
14. Патент № 2417273, Российская Федерация, МПК 2417273 C2, 27.04.2011. Стальной материал с высокой коррозионной стойкостью, получаемый с помощью горячего цинкования методом погружения: 2008141267/02: заявл. 14.03.2007: опубл. 27.04.2011 / Носе К., Токуда К., Сато Ю., Наказава М.; патентообладатель НИППОН СТИЛ КОРПОРЕЙШН (JP) // Федеральный институт интеллектуальной собственности. — URL: https://www1.fips.ru/iiss/document.xhtml?facesredirect=true&id=8d405161251292bb (дата обращения: 10.03.2021).
15. Первые поселенцы высадятся на Марсе к 2032 году. // Сетевое издание «Интернет ресурс Tengrinews. — URL: https://tengrinews.kz/science/pervyie-poselentsyi-vyisadyatsya-na-marse-k-2032-godu-336991/ (дата обращения: 04.04.2019).
16. Принцип работы циклонных пылеуловителей // Официальный сайт Стигмаш: изготовление, монтаж и комплексная поставка промышленного оборудования. — URL: https://stigmash.ru/articles/ciklonnye-pyleuloviteli-v-sistemah-ochistki-vozduha-na-sovremennyh-promyshlennyh-predpriyatiyah/ (дата обращения: 10.04.2019).
17. Ревенко, В. Ю. Совершенствование конструктивных и технологических параметров малогабаритных пневматических сепараторов / В. Ю. Ревенко // Наука, техника и образование. — 2015. — № 12 (18). — С. 128–133.
18. Ушакова, Е. С. Парадигма полета на Марс / Е. С. Ушакова, О. Е. Шацкий. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 48 (182). — С. 51–55. — URL: https://moluch.ru/archive/182/46711/ (дата обращения: 02.03.2021).
19. Mimicking Mars: A vacuum simulation chamber for testing environmental instrumentation for Mars exploration // Review of Scientific Instruments — URL: https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4868592 (дата обращения: 04.03.2021).
20. NASA опубликовало панораму поверхности Марса в сверхвысоком разрешении // Сетевое издание, справочно-энциклопедический ресурс KM.RU. — URL: https://www.km.ru/science-tech/2020/03/05/nasa/871703-nasa-opublikovala-panoramu-poverkhnosti-marsa-v-sverkhvysokom-ra (дата обращения: 04.03.2021).