Разработка математической модели и метода расчета процессов тепломассопереноса в криогенных системах Богданова, Мария Васильевна

Введение к работе

Актуальность проблемы.В последнее время широкое развитие и применение получает одна из самых молодых областей науки и техники - криогеника. В нашей стране начало развития криогенной техники связано с созданием в 30-х годах первых отечественных воздухоразделительных установок (ВРУ), предназначавшихся для нужд автогенной промышленности и интенсификации мартеновского и доменного производств. Разработка новых видов ВРУ проводилась под руководством академика П.Л.Капицы, внесшего фундаментальный вклад в развитие этого направления.

В настоящий момент криогенная техника находит свое применение в различных отраслях промышленности. Известно, что природное топливо ограничено по своим запасам и не является экологически чистым. Эти обстоятельства заставляют ученых искать альтернативные виды топлива. Примером такого топлива могут служить жидкий водород, метан и другие сжиженные газы. В свое время жидкий водород был использован в качестве горючего для ракет-носителей при освоении космоса. Использовать его или метан в качестве авиационного топлива - решение, которое многим исследователям кажется оптимальным. Впервые экспериментальная модель самолета 7У-155, использовавшая жидкий водород, поднялась в небо 16 апреля 1988 г. КрЪме положительных аспектов данного события существует множество проблем, связанных с эксплуатацией подобных самолетов. Среди них важное место ванимают конструкция и эффективная теплоизоляция топливного бака, а также обеспечение общей безопасности и надежности авиационных криогенных систем. Вместе с тем одним из ее аспектов можно считать изучение и моделирование процессов, происходящих внутри авиационного топливного бака с жидким метаном. '

Подобная задача, а именно, задача определения эффективного режима.хранения криогенных жидкостей в закрытых емкостях возникла и решается уже давно. Оптимальное ее решение имеет большое народнохозяйственное значение.

В ряде .работ Г.З.Гершуни, Е.Л.Тарунина, В. И. Полежаева, й. А. Кириченко, Ю.В.Вальциферова и других предложены методики численного исследования процессов, происходящих в емкостях с криогенными жидкостями, и выявлена роль конвективной составляющей в процессе теплообмена. Выли рассмотрены характерные режимы раз-

вития во времени нестационарной тепловой конвекции в емкостях разнообразной конфигурации при различных подводах тепла.

В этих работах представлены в основном одномерные и двумерные задачи, исследующие тепловые режимы в среднем диапазоне. При этом предполагается, что поля температуры и скоростей осесиммет-ричны. При расчетах процессов конвективного теплообмена рассматривается плоскость только одного вертикального сечения заданной емкости.

В данной работе изучается квазитрехмерная задача определения теплового поля в горизонтальном цилиндрическом сосуде с полусферическими днищами при наличии капиллярного стока. Сосуд частично заполнен криогенной жидкостью. Температурное поле определяется как внутри цилиндра, так и в его оболочке. Таким образом, для создания реального авиационного топливного бака необходимы всестороннее изучение физических процессов, происходящих' внутри него, а также выбор оптимальной математической модели, отражающей течение реальных процессов в жидком метане. Эти обстоятельства определяют актуальность темы диссертации.

Данная диссертация выполнялась по комплексному плану научно-исследовательских работ Воронежского государственного технического университета и в соответствии с Постановлением Правительства РФ N 368 от 23 апреля 1994 г.

Цель работы и задачи исследования .Педыо настоящей работы является разработка математической модели " метода расчета процессов тепломассопереноса в криогенных системах при наличии подвижной поверхности раздела фаз и фазовых превращений.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучение тепловых режимов, которые возникают в криогенной жидкости, частично заполняющей горизонтальны^ цилиндрический сосуд и прогревающейся под действием заданного теплового потока при наличии поля силы тяжести. '

2. Создание приближенной методики вычислительного эксперимента, позволяющей адекватно отразить процессы тешюпереноса в заданном объеме с уч<. ом стока и фазовых переходов.

3. Разработка конкретных рекомендаций по хранению криоген-¹ них жидкостей, изготовлению топливных баков,- сог'ржащих подобные жидкости, а также теплоизоляции такого рода систем. ,

Научная новизна.Основные положения диссертации, научная новизна которых защищается:

і. На основе физического подхода предложена перспективная для практического использования математическая модель, описывающая реальные физические процессы тепломассопереноса в сосудах с криогенной жидкостью.

2. Предложен метод расчета многомерных задач, основанный на принципе разбиения исследуемых емкостей плоскостями на элементарные объемы и описывающий более достоверную картину теплового состояния жидкости по сравнению с репением одномерных или двумерных задач. .

3. Предложена методика численного решения многомерных задач, при которой рассматриваемое температурное поле не является осесимметричным, граница' "жидкость - газ" считается подвижной, учитываются фазовые переходы. Данная методика является более универсальной по сравнению с решением аналогичных задач без учета указанных особенностей происходящих реальных процессов.

На защиту выносится:

1. Описание разработанных в диссертации математической модели и приближенного метода расчета процессов тепломассопереноса в криогенных системах. Данная модель учитывает влияние конвективных составляющих, подвижность границы раздела <;? и фазовые превращения.

2. Анализ полученных результатов расчета, их сопоставление с результатами* подобных исследований.

3. Набор конкретных рекомендаций, касающихся характера материалов,' необходимых для изготовления емкостей, содержащих криогенные жидкости, а также установления в них определенных тепловых реЖИМОВ.: .

Практическая значимость работы состоит в том, что с помощью численных методов в работе более достоверно изучаются процессы теплообмена в сосуде с криогенной жидкостью, что дает возможность получить конкретные рекомендации по созданию и эксплуатации реальных емкостей, содержащих топливо с криогенными компонентами, а также совершенствованию существующих криогенных систем.

Разработанные автором методы расчета и рекомендации используются в практике Воронежского конструкторского бюро - филиале авиационного научно-технического комплекса имени А.Н. Туполева и курсе лекций "Тепломассообмен", читаемых на кафедре "Промышленная "теплоэнергетика" Воронежского государственного технического

4 университета.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Второй Международной конференции " Идентификация динамических систем и обратные задачи" (Санкт-Петербург, 1994), на Первой Российской Национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994 ), на региональном межвузовском семинаре " Процессы теплообмена в энергомашиностроении" (Воронеж, 1992-1994 ), в Воронежском государственном техническом университете ( Воронеж, 1993 - 1995 ), в КБ -филиале АНТК имени А.Н. Туполева ( Воронеж, 1995).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Дисссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка, 2 приложения и библиографию из 85 наименований.