Розроблення та дослідження моделі каскадного імпактора
Автор: Волянський Богдан Ігорович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Інформаційні технології проектування
Інститут: Інститут комп'ютерних наук та інформаційних технологій
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2024-2025 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Волянський Б.І., Климкович Т.А. (керівник). Розроблення та дослідження моделі каскадного імпактора. Maгicтepcька кваліфікаційна po6oта. – Національний університет «Львіська політехніка», Львів, 2024. Розширена анотація Збільшення кількості забруднюючих речовин у навколишньому середовищі, особливо дрібних частинок у повітрі, стало серйозною проблемою для багатьох країн. Дослідження та контроль частинок, які потрапляють в атмосферу, необхідні для оцінки впливу на здоров’я та стану екосистем. Для цього зазвичай використовуються каскадні імпактори — пристрої, які класифікують частинки за їхнім аеродинамічним діаметром, це має першочергове значення в аналізі властивостей повітряних сумішей. Метою цього дослідження є створення математичної моделі каскадного імпактора для примусового фракційного осадження частинок з повітря з метою подальшого визначення їх кількості та розмірів або для розділення частинок в об’ємному потоці газу . Проєкт реалізовано в інтерактивному середовищі COMSOL Multiphysics, яке забезпечує мультифізичний підхід при вивченні взаємодії повітряного потоку з частинками. Модель полегшує дослідження впливу різних параметрів, включаючи швидкість повітряного потоку, розмір і форму отворів, інерційні властивості частинок та інші фактори, на процес їх поділу.ора для досягнення максимально можливого ступеня точності та ефективності у виборі частинки. Об’єкт дослідження – каскадний імпактор, що використовується для фракційного аналізу аерозольних частинок. процесс Предмет дослідження – математична модель каскадного імпактора, розроблена на основі фізичних процесів розділення частинок у повітряному потоці. Каскадні імпактори це багатоступеневі пристрої, які використовують принцип інерційного утримання, у якому частинки певного розміру утримуються на різних ступенях каскаду на основі їхніх аеродинамічних властивостей. Завдяки точним розрахункам і моделюванню цих процесів елемент може досягти високого ступеня роздільної здатності частинок і бути адаптованим до конкретних вимог різних досліджень. Однак складність багатьох фізичних компонентів, залучених до імпакторів, робить експериментальні підходи неефективними для швидкого та економічно ефективного створення нових структур. У цьому дослідженні запропоновано використання математичних моделей для прискорення розробки та зменшення витрат розробки каскадних імпакторів. Використовуючи COMSOL Multiphysics, дозволяє моделювати процеси на основі рівнянь Нав’є-Стокса для потоку повітря та рівнянь руху частинок, що проходять через каскадний імпактор.Увага була приділена моделюванню сил інерції та аеродинамічного опору, ці сили та опори відповідають за поведінку частинок у потоці повітря. Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що: Розроблено нову математичну модель каскадного імпактора, яка дозволяє досліджувати поведінку частинок різних розмірів у багатоступеневих системах.Вперше запропоновано оптимізацію конструкції каскадного імпактора з урахуванням впливу кількох фізичних параметрів (форма та розмір форсунок, Швидкість потоку, матеріал поверхонь, кут падіння частинок тощо) для підвищення точності сепарації; Проведено дослідження впливу неідеальних умов, таких як турбулентність потоку та нерівномірність розподілу частинок, на ефективність роботи імпактора.Результати моделювання також полегшують розгляд реальних властивостей аерозольних частинок, включаючи їх форму, щільність і гігроскопічність. Це сприяє збільшенню точності відбору, оскільки ці фактори мають значний вплив на інерційне розрізнення в реальних ситуаціях. Крім того, було вивчено вплив геометрії окремих ступенів на розподіл частинок між різними фракціями. Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблена модель може бути використана для оптимізації конфігурацій каскадних імпакторів. Це сприяє підвищенню ефективності та зниженню витрат на експериментальні дослідження та виготовлення прототипів. Зокрема, модель може бути використана для вдосконалення каскадних імпакторів, які використовуються в моніторингу навколишнього середовища з метою контролю якості повітря, у фармацевтичній промисловості для випробування аерозольних препаратів і в наукових дослідженнях для дослідження атмосферних частинок. Завдяки точному представленню процесів всередині каскадного імпактора можна передбачити поведінку імпактора за різних умов, зокрема, коли змінюється склад і властивості частинок, або коли об’єм повітря чи концентрація частинок змінюються. змінюється. Це полегшує створення універсальних пристроїв, які підходять для різноманітних застосувань. Ключові слова: каскадний імпактор, аеродинамічний діаметр, інерційна сепарація, математичне моделювання, COMSOL Multiphysics, контроль якості повітря, аерозольні частинки, оптимізація конструкції, мультифізичні симуляції.