Содержание к диссертации
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
Общая характеристика работы 5
Глава 1. Анализ выполненных работ по исследованию вихревого эффекта_ 10
Обзор экспериментальных работ по исследованию вихревого
эффекта 17
Обзор теоретических и численных работ по исследованию вихревого
эффекта 27
Глава 2. Моделирование механизма вихревого энергоразделения ______ 39
Математическая модель двухфазного течения в постановке Эйлера 74
Глава 3. Численное моделирование процесса вихревого энергоразделения_ 80
Результаты численного моделирования процесса энергоразделения
в вихревой трубе 97
Исследования интегральных параметров температурной
Аналитический обзор результатов работ по применению вихревых труб в качестве устройств для отделения жидкой фазы из газожидкостных смесей.
Разработка и решение математической модели течения газа с учетом переменной теплоемкости, позволяющей моделировать вихревой эффект Ранка-Хильша.
Проведение экспериментальных исследований вихревых устройств при их работе на одно- и двухфазных потоках для подтверждения адекватности численного моделирования.
Выработка рекомендаций по проектированию и применению вихревых устройств фазоразделения.
В диссертационной работе разработаны общие принципы и рекомендации по численному моделированию вихревого эффекта с использованием современных пакетов вычислительной гидродинамики и применением суперкомпьютерных технологий.
Разработаны рекомендации по проектированию и применению многопоточных вихревых труб в качестве фазоотборных устройств со степенью сепарации 90-95 %.
Результаты диссертационной работы внедрены в научно- исследовательский цикл работ ОАО «НИИТ» по созданию квазиизотермических систем редуцирования давления природного газа с фазоразделением.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс УГАТУ для студентов направления подготовки 150800 «Гидравлическая, вакуумная и компрессорная техника»
Разработанная математическая модель течения газа с учетом переменной теплоемкости газа, описывающая вихревой эффект.
Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований эффекта Ранка и процесса сепарации в многопоточной вихревой трубе.
Рекомендации по проектированию многопоточных вихревых труб для сепарации газожидкостных потоков.
Всероссийской научно технической конференции «Динамика машин и рабочих процессов», г. Челябинск, ЮУрГУ, 2005г.
Российской научно-технической конференции "Мавлютовские чтения", УГАТУ, г.Уфа, 2006г.
Всероссийской научно-практической конференции «От мечты к реальности: Научно-техническое творчество создателей авиационной и ракетно-космической техники», Уфа, УГАТУ 2006 г.
2-й международной научно-практической конференции «Глобальный научный потенциал», Тамбов, 2006 г.
Российской научно-технической конференции "Мавлютовские чтения", УГАТУ, г.Уфа, 2007г.
Международной научной конференции «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности», г. Саров, 2008г.
эффективности вихревой трубы 122
Общая характеристика работы Актуальность темы работы
Транспортировка природного газа в России осуществляется в основном по газопроводам высокого и среднего давлений. Редуцирование давления газа до потребительского уровня сопровождается снижением температуры, обморожением трубопроводов, кристаллизацией тяжелых углеводородов и несанкционированной влаги, попавшей в трубопровод в результате нарушения технологии транспортировки. Побочные явления редуцирования негативно сказываются на эффективности и безопасности системы транспортировки природного газа и требуют комплексного подхода к решению поставленной задачи.
Разработанные учеными УГАТУ и ОАО «НИИТ», при участии автора, технологии квазиизотермического редуцирования давления природного газа позволяют избежать снижения температуры газа и выпадения кристаллогидратов, однако не решаются вопросы выделения из газа влаги и жидких углеводородов. Реализация аппаратов квазиизотермического редуцирования осуществлена на базе вихревых труб Ранка, применение которых в качестве устройств фазоразделения известно с 1950-х годов, однако эффективность фазоотбора вихревых сепараторов не превышала, как правило, 60-70%.
Совершенствование методов расчета и проектирования вихревых устройств, реализующих эффект Ранка, для сепарации газожидкостных смесей, в частности, многопоточной вихревой трубы, является задачей весьма актуальной. Разрабатываемая методика востребована при проектировании квазиизотермических редуцирующих устройств для газораспределительных пунктов и газораспределительных станций с возможностью отбора несанкционированной влаги и технологией отделения тяжелых фракций от попутных газов. Применение вихревых фазоотборных устройств возможно и для отделения азота от природного газа.
Цель диссертационной работы
Разработка метода расчета и проектирования вихревых устройств, реализующих эффект Ранка-Хильша, для фазоразделения газожидкостных смесей.
Задачи работы
Научная новизна
Научная новизна заключается в том, что в математической модели течения газа в вихревой трубе впервые предложено использование зависимости переменной теплоемкости газа от температуры и давления, позволившей повысить достоверность результатов численного моделирования.
При проведении численного моделирования гидродинамических процессов впервые показано качественное изменение радиального распределения термодинамической температуры вдоль камеры энергоразделения а также влияние конструктивных параметров на протекание процессов в вихревой трубе.
Составлены рекомендации по определению эффективных геометрических параметров вихревого фазоотборного устройства.
Практическая ценность работы
Основания для выполнения работы
Работа является обобщением исследований автора в период с 2002 года по настоящее время и выполнена на кафедре «Прикладная гидромеханика» (ПГМ) Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ). В работу вошли результаты НИР, проведенных на кафедре ПГМ 1999 - 2005 гг. по проектам ФЦП «Интеграция» и хозрасчетным договорам с ОАО «НИИТ» по разработке квазиизотермических вихревых регуляторов давления газа с отделением несанкционированной влаги для газораспределительных станций и пунктов по заказу ОАО «Баштрансгаз» и ОАО «Тюменьмежрайгаз». Начальные стадии исследований были отображены в магистерской диссертации, выполненной в УГАТУ и защищенной в 2005 г.
Достоверность и обоснованность работы
Достоверность и обоснованность результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, подтверждена использованием фундаментальных методов механики жидкости и газа, математического анализа и теории планирования эксперимента. Также достоверность подтверждается сопоставлением с натурными экспериментальными исследованиями, проведенными автором в лаборатории газодинамики высоких давлений кафедры Авиационной теплотехники и теплоэнергетики УГАТУ.
На защиту выносятся
Апробация работы
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих международных и российских конференциях:
Публикации
Основное содержание работы отражено в 16 опубликованных работах, в их числе 4 статьи, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях.
Структура и объем дисертации
Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы. Изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 64 иллюстраций, 3 таблицы. Библиографический список включает 128 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность канд. техн. наук, доценту Ахметову Ю.М. за плодотворные консультации, обсуждения материалов диссертации, ценные замечания и поддержку.
Глава 1. Анализ выполненных работ по исследованию вихревого эффекта
Введение к работе
Вихревая труба, или труба Ранка-Хилша - устройство, которое обеспечивает разделение сжатого воздуха, подводимого тангенциально в вихревую камеру через вводные сопла, на горячий и холодный потоки. Разделенные с помощью вихревой трубы горячий и холодный потоки могут быть использованы в различных технических системах, таких как: системы охлаждения вычислительных машин; холодильное оборудование; рубашки охлаждения; в различных тепловых процессах и т.д. Вихревые трубы хорошо подходят для этих целей, так как они просты по конструкции, легки, компактны, малошумные и не используют фреон или какие-либо другие хладагенты. Они не имеют подвижных частей, не ломаются и не изнашиваются, соответственно, и требуют меньше обслуживания.
Вихревая труба (также называемая вихревой трубой Ранка-Хилша) - это механическое устройство, работающее как холодильная машина без каких бы то ни было подвижных частей, она разделяет входной сжатый поток на один поток с более низкой полной температурой, чем у входного, и на один поток - с более высокой полной температурой. Такое разделение потока на «холодный» и «горячий» получило название эффект температурного, или энергетического разделения. Вихревая труба была впервые спроектирована французским физиком и металлургом Джозефом Ранком [1,2], который получил Французский патент на это устройство в 1932 г. и патент Соединенных Штатов Америки в 1934 году. Первой реакцией научного и инженерного сообщества на это изобретение было недоверие и апатия. Так как вихревая труба обладала в то время очень низкой термодинамической эффективностью, то она была забыта на какое-то время. Интерес к устройству возродил немецкий инженер Хилыд [3], который опубликовал отчет по теоретическому и экспериментальному изучению вихревой трубы с целью повышения ее эффективности. Он изучил влияние входного давления и различных геометрических параметров вихревой трубы на ее работу и представил гипотезу, объясняющую эффект температурного разделения. После второй мировой войны труба Хилыпа и его документы были открыты и впоследствии досконально изучены. Индикатором интереса к вихревой трубе служит литературный обзор Вестли [4], включающий более 100 наименований. Другие научные публикации таких авторов как Curley и McGree [5], Азаров [6], Dobratz [7] и Nash [8], Гуляев [9] дают довольно полное представление о вихревой трубе. Так как закрученный поток сжимаемой жидкости, имеющий место в вихревой трубе, очень сложная для описания и моделирования система, то изучение турбулентных закрученных потоков является трудной и интересной задачей.
Вихревая труба нашла применение в промышленности [10], в основном, как холодильник, и может использоваться для следующих целей: охлаждение узлов различных машин, осушка газа, охлаждение вычислительных систем, серверных помещений, охлаждение помещений, заморозка продуктов питания и др. Другие применения включают в себя сжижение газов [11], охлаждение оборудования лабораторий, работающих с взрывчатыми веществами [12, 13], термическую обработку различных заготовок, пилотируемые глубоководные аппараты [14], отделение от пыли газовых выбросов [15], охлаждение оборудования ядерных реакторов [16, 17], охлаждение пожарного оборудования [18, 19] и т.д. Наиболее распространенное название вихревой трубы - «Вихревая труба Ранка» (по имени первого исследователя), также встречается в литературе «Вихревая труба Хилыпа» или «Вихревая труба Ранка-Хильша» (по имени немецкого исследователя Хилыпа, работавшего над изучением вихревой трубы после Ранка). В иностранной литературе можно встретить термин «Maxwell-Demon vortex tube», такое название было получено благодаря Максвеллу и его демону, который отделял горячие молекулы движущегося по трубе газа от холодных. Хотя подобных названий можно привести достаточно много, далее будет использоваться только термин «Вихревая труба», или сокращенно «ВТ».
1.1 Основные определения
Массовая доля холодного потока
Массовая доля холодного потока - наиболее важный параметр, определяющий характеристики вихревой трубы и
температурное/энергетическое разделение [20, 21]. Массовая доля холодного потока определяется как отношение массового расхода воздуха, истекающего через отверстие диафрагмы (С?х), к входному массовому расходу (С?вх). Массовая доля холодного потока может регулироваться коническим дросселем, установленным на горячем выходе вихревой трубы, и может быть выражена следующим образом:
М^ (1-1)
Холодная избыточная температура
Холодная избыточная температура, или степень охлаждения холодного потока определяется как разность температуры газа на входе в вихревую трубу (Твх) и температуры газа на холодном выходе (Тх):
А?Х=ТВХ-ГХ (1.2)
Горячая избыточная температура
Горячая избыточная температура, или степень подогрева горячего потока, определяется как разность температуры газа на горячем выходе (ТГ)
и температуры газа на входе в вихревую трубу:
МГ = ТГ-ТВХ (1.3)
Безразмерный диаметр диафрагмы
Безразмерный диаметр диафрагмы определяется как отношение диаметра диафрагмы (с{) к диаметру вихревой трубы (О):
1 = — (1.4)
Температурная эффективность
Понятие температурной эффективности, введенное Хилынем, служит для определения хладопроизводительной эффективности вихревой трубы. Температурная эффективность рассчитывается как отношение степени охлаждения в вихревой трубе () к степени охлаждения при изоэнтропном расширении (А^) от параметров на входе в вихревую трубу, до параметров на холодном выходе из вихревой трубы:
к-1 '
Гл\к
где М5 высчитывается по следующему термодинамическому выражению:
(1.6)
\7Гу
где Гв*х - полная температура газа на входе в вихревую трубу; и - степень расширения газа от давления на входе в вихревую трубу, до давления на холодном выходе; к — показатель адиабаты
1.2 Классификация вихревых труб
Все вихревые трубы можно поделить на две большие группы. Первая группа - это противоточные вихревые трубы (часто называемые стандартными), во вторую группу входят параллельные или однопоточные, рисунок 1.1 а и 1.1 б соответственно. Наибольшее распространение получили стандартные противоточные вихревые трубы в силу простоты конструкции и более высокой эффективности по отношению к однопоточным конструкциям.
ПодЕюд Ьоэдуха
ПодЬод Ьоздухо
Холодный поток
2 /
Г'зрячий поток
-А
-2>
Холодный поток
ЗИ Холо
ПодЬод Ьоздуха Ж
"V
ПодЬод воздуха
Рисунок I — Противоиоточная ВТ (а), однопоточная ВТ (б): I - вихревая труба, 2 - диафрагма, 3 — сопла, 4
— конический клапан
Противоточные вихревые трубы
Противопоточная вихревая труба [22, 23], изображенная на рисунке 1 (а) состоит из корпуса, включающего в себя одно или несколько вводных сопел и диафрагмы, вихревой трубы или просто горячей трубы, и конического клапана. Сжатый газ (например, воздух) под большим давлением подается тангенциально в вихревую камеру через сопло с большой скоростью. Расширяющийся газ внутри трубы организует быстро вращающийся вихрь. Так как диаметр диафрагмы меньше диаметра трубы, то газ начинает двигаться аксиально, в сторону конического дросселя по периферической части трубы. По мере уменьшения закрутки потока по длине трубы возникает обратный градиент давления в при осе вой области, вынуждающий двигаться газ от дросселя в сторону диафрагмы. Длина трубы обычно составляет от 3 до 50 калибров, и пока не определено оптимальное значение из этого диапазона. Так как газ расширяется через сопла в трубу до давлений, незначительно превышающих атмосферное, то скорость потока за
срезом сопла может достигать критических и даже сверхкритических значений.
Величину газа, выходящего через диафрагму, можно регулировать с помощью регулируемого дросселя, обычно имеющего форму конуса. Величина расхода через дроссель на основных режимах работы лежит в пределах 30% - 70% от полного расхода, подаваемого на вход вихревой трубы. Остальная часть выходит через отверстие диафрагмы на оси трубы и называется обратным потоком. Температура потока на периферии трубы становится выше входной, а температура в приосевой области - ниже. Это феномен известен, как эффект температурного разделения, также называемый эффектом Ранка-Хильша. В результате газ, истекающий через диафрагму, холодней потока, истекающего через дроссель. Примечательной особенностью данного устройства является отсутствие подвижных частей и простота работы.
Однопоточные вихревые трубы
Прямоточная вихревая труба, изображенная на рисунке 1 (б), состоит из корпуса с входными соплами, вихревой трубы и регулируемого дросселя с центральным отверстием. В отличие от более популярной противоточной вихревой трубы, холодный поток выходит через центральное отверстие дросселя, а горячий - через кольцевую щель. Работа однопоточной вихревой трубы аналогична работе противоточной. Температуры истекающего холодного и горячего потоков могут отличаться на 140- 160 градусов, предельная разница, полученная Comassar [24], составляет 230 градусов. На практике, как правило, используют температуры до -40 С, температуры ниже -50 С получают на лабораторных установках. Практическое применение горячего потока ограничивается температурами +190С, максимальная температура, полученная Bruno [12, 13], составляет +225С. Основное применение вихревых труб в указанных диапазонах обусловлено компактностью, стабильностью характеристик и низкими финансовыми затратами.
1.3 Параметрические исследования вихревой трубы
Анализ последних исследований показывает, что эффект температурного разделения, в основном, обусловлен перераспределением кинетической энергии молекул газа. Низкая температура (или большое температурное разделение), полная и статическая, находится возле оси трубы, понижается по направлению к дросселю или к диафрагме в стандартной вихревой трубе. Основной вопрос, на который необходимо получить ответ, это как конструкция вихревой трубы влияет на перераспределение кинетической энергии. Вихревые трубы, в основном, проектируют либо для получения максимального температурного разделения, либо для получения максимальной температурной эффективности.
В конструкции стандартной противоточной трубы будет рассмотрено влияние только некоторых параметров, таких как диаметр трубы, диаметр диафрагмы, количество, размеры и расположение вводных сопел, длина трубы и форма дросселя. Имеющиеся знания по эффекту температурного разделения позволяют спроектировать конструкцию вихревой трубы с параметрами, достаточно близкими к необходимым. При фиксированных входных параметрах (входное давление) очень маленький диаметр вихревой трубы ведет к значительному повышению противодавления, и поэтому тангенциальная скорость периферийного и центрального потоков отличаются незначительно, а осевая скорость потока достаточно высока, это приводит к малому перераспределению кинетической энергии, которое соответственно снижает уровень температурного разделения. В обратном случае, большой диаметр вихревой трубы приводит к малой тангенциальной скорости, как на периферии, так и в центре, что опять-таки снижает перераспределение кинетической энергии и, соответственно, температурное разделение.
Очень маленькое отверстие диафрагмы приводит к повышению противодавления в трубе и, в результате, как упоминалось выше, к малому температурному разделению. Очень большое отверстие диафрагмы приводит к прямому перетеканию воздуха их входных сопел в диафрагму, что снижает уровень тангенциальных скоростей, а, следовательно, и температурное разделение. Аналогично слишком маленькая площадь вводных сопел приводит к значительному падению давлений на них, следовательно, к низким тангенциальным скоростям и также к неэффективному температурному разделению. Переразмеренные входные сопла не обеспечивают достаточную закрутку потока и, как результат, опять-таки малое температурное разделение. Входные сопла должны быть расположены как можно ближе к диафрагме для обеспечения высоких тангенциальных скоростей возле диафрагмы. Расположение сопел на некотором расстоянии от диафрагмы приводит к снижению тангенциальных скоростей около диафрагмы и к снижению температурного разделения.
1.4 Обзор экспериментальных работ по исследованию вихревого эффекта
Вихревые, или закрученные, течения вызывают большой интерес ученых в последние десятилетия, так как они находят широкое применение в различных областях техники. Например, в таких, как: газовые котлы, газовые турбины и вихревые циклоны. Вихрь (или высоко закрученный поток) также является причиной образования холодного и горячего потока в вихревых трубах. Вихревые трубы находят применение в технике в качестве охлаждающих и подогревающих устройств, так как они просты, компактны, легки и мало шумны в работе [18]. Некоторые ученые прилагают значительные усилия для объяснения эффекта энергетического разделения в вихревой трубе. Все исследования данного направления можно формально разделить на две группы. Первая группа основана на экспериментальных работах. Затем через полученные результаты делается попытка объяснить энергетическое разделение. Исследователи второй группы пытаются объяснить данное явление с помощью аналитических и численных методов.
Вихревая труба была впервые спроектирована французским металлургом и физиком Джозефом Ранком [1, 2] , который получил Французский патент на это устройство в 1932 г. и патент Соединенных Штатов Америки в 1934,году. Первой реакцией научного и инженерного сообщества на это изобретение было недоверие и апатия. Так как вихревая труба обладала в то время очень низкой термодинамической эффективностью, то она была забыта на какое-то время. Интерес к этому устройству возродил немецкий инженер Хилыи [3] , который опубликовал отчет по теоретическому и экспериментальному изучению вихревой трубы с целью повышения ее эффективности. Он изучил влияние входного давления и различных геометрических параметров вихревой трубы на ее работу и представил гипотезу, объясняющую эффект температурного разделения. После Хилыпа экспериментальные исследования были выполнены Шепером [25], который измерял скорость, давление, полную и статическую температуру в вихревой трубе используя зондирование и визуализацию. Он сделал вывод о том, что аксиальная и радиальная составляющая скорости значительно меньше тангенциальной. Его измерения показали, что статическая температура уменьшается в радиальном направлении к стенке. Эти результаты противоречили большинству наблюдений, проведенных ранее. Мартыновский и Алексеев [26] изучали влияние различных геометрических параметров на работу вихревой трубы.
Hartnett и Eckert [27] измеряли скорость, полную температуру, полное и статическое давление в однопоточной вихревой трубе. Используя экспериментальные значения статической температуры и давления для вычисления плотности, они определили поток массы и энергии в разных направлениях вихревой трубы. Scheller и Brawn [28] представили замеренные профили скоростей, давлений и температур в стандартной вихревой трубе и показали, что статическая температура уменьшается по направлению к периферии, что соответствовало работам Шепера [25]. На основании проделанных измерений они предположили, что механизм температурного разделения обусловлен вынужденной конвекцией. Blatt и Trusch [29] исследовали экспериментально работу вихревой трубы и улучшили ее характеристики заменой конического клапана расширяющимся радиальным диффузором. Геометрия трубы была оптимизирована для получения максимальной температурной разницы между входным потоком и холодным путем изменения различных параметров, таких как величина выходного сечения, длина трубы и входная геометрия. Кроме того, ими было установлено влияние входного давления на тепловой поток.
Linderstrom-Lang [30] детально изучил применение вихревых труб для сепарации, используя различные газовые смеси и изменяя геометрию трубы. Linderstrom-Lang показал что эффективность сепарации в основном зависит от соотношения холодного и горячего потоков. Используя свои данные, Takahama предложил рекомендации для проектирования противоточной вихревой трубы, обеспечивающей наилучшее температурное разделение. Он также привел эмпирическую формулу для определения профиля скоростей и температуры газового потока в вихревой трубе. Takahama и Soga и др. [31] использовали набор труб Takahama для изучения влияния геометрии на процесс энергетического разделения, а также массовую долю холодного потока, поля скоростей и температур для определения оптимального отношения суммарной площади вводных сопел к площади трубы. Они также показали осесимметричность вихревого потока в вихревой трубе.
Vennos [32] измерял скорость, полную температуру, полное и статическое давление в стандартной вихревой трубе и сделал заключение о существовании значительной радиальной скорости. Bruun [33] представил экспериментальные данные по давлению, скорости и температуре в противоточной вихревой трубе с массовой долей холодного потока 0.23 и заключил, что радиальные и осевые конвективные члены в уравнениях движения и энергии одинаково важны. Хотя измерения радиальной скорости не проводились, его вычисления, основанные на уравнении неразрывности, показали наличие радиальной скорости по направлению к периферии, возле вводных сопел, а в остальной части трубы радиальная скорость направлена к центру. Также он предположил, что основная причина энергетического разделения - турбулентный теплоперенос. Nash [34] использовал увеличенную вихревую технику для криогенного охлаждения инфракрасных датчиков. Краткое описание конструкции вихревого охладителя опубликовано Nash. Marshall [35] испытывал вихревые трубы разнообразной размерности на различных газовых смесях, результатами своих экспериментов подтвердив возможность сепарации, впервые высказанную Linderstrom-Lang [30]. Takahama и др. экспериментально исследовали работу стандартной вихревой трубы на влажном воздухе и установили ухудшение работы из-за парообразования после среза вводных сопел. Энергетическое разделение отсутствовало при степени сухости менее 0,98. Измерения Collins и Lovelace [36] стандартной вихревой трубы на двухфазном потоке, влажном паре и пропане показали, что при входном давлении 0,791 МПа разделение остается существенным при степени сухости выше 80% на входе, при степени сухости ниже 80% температурное разделение не наблюдается.
Takahama и Yokosawa [37] изучали возможность сокращения длины вихревой трубы, использованием расходящихся, или конических вихревых труб. Более ранние исследователи, такие, как: Parulekar [38], Otten [39], а также Райский с Тункелем [40] использовали конические трубы, как для всей вихревой камеры, так и для ее части в попытках сократить длину вихревой камеры и улучшить температурное разделение, но они все-таки были нацелены на получение максимальной и минимальной температуры истекающих потоков. Поэтому Takahama и Yokosawa [37] сравнивали их результаты с результатами стандартных цилиндрических вихревых труб. Они установили, что использование конических вихревых труб с малым углом конусности приводит к увеличению температурного разделения и сокращению длины вихревой камеры. Kurosaka и др. [41] проводили экспериментальное изучение механизма разделения полной температуры в однопоточной вихревой трубе, взяв за основу гипотезу о том, что энергетическое разделение обусловлено акустическими шумами, порождаемыми вихревым движением газа.
Schienz [42] занимался экспериментальным изучением полей скорости и энергетическим разделением в однопоточных вихревых трубах с отверстием вместо конического клапана для управления потоками. Профили скоростей были получены с помощью скоростметра на основе доплеровского лазера, имеющего возможность визуализировать поток. Amitani и др. [43], занимавшиеся изучением больших вихревых труб, с малой длиной вихревой камеры, показали повышение эффективности данных труб при установке в них перфорированных пластин, распрямляющих поток на горячем выходе вихревой трубы. Stephan и др. [44] измеряли температуры в стандартной вихревой трубе, используя в качестве рабочей среды газ, для того чтобы найти зависимость температуры холодного потока от массовой доли холодного потока, используя стандартный анализ размерностей. Negm и др [45] проводили экспериментальные исследования процесса энергоразделения в стандартной вихревой трубе для нахождения описывающих его зависимостей. По испытаниям двухступенчатой вихревой трубы они установили, что первая ступень, по показываемым результатам, всегда превосходит вторую ступень. Lin и др. [46] проводили исследования теплопереноса в вихревой трубе, охлаждаемой водой.
Ahlborn и др. [47] проводили измерения в стандартной вихревой трубе для подтверждения своей расчетной модели определения пределов температурного разделения. Они также предположили, что нагрев осуществляется переходом кинетической энергии в тепловую, а охлаждение - при обратном процессе. Ahlborn изучал температурное разделение в вихревых трубах на низких давлениях. Основываясь на предложенной расчетной модели, они установили, что эффект зависит от нормализованного отношения давлений (,uc={PrP)/Pc), а не от абсолютных значений давлений входного Pi и выходного холодного потока Рс. В 1997 г. Ahlborn и Groves измерили осевую и азимутальную скорость, используя маленький приемник воздушного давления, и обнаружили существование вторичных радиальных течений в вихревой трубе. Ahlbom идентифицировал явление температурного разделения в вихревой трубе Ранка-Хилыиа, в которой поток делится на холодный и горячий газовые потоки, как механизм обычного теплого насоса, который обусловлен вторичной циркуляцией. В [48] Ahlborn и Гордон рассматривают большое количество вихревых труб в качестве охладителей, анализируя результаты, используя классические термодинамические циклы.
Арбузов и др. [49] предположили, что наиболее вероятный механизм эффекта Ранка - это вязкое нагревание газа в тонком пограничном слое на стенке вихревой камеры и адиабатическое охлаждение газа в центре из-за формирования интенсивного вихревого жгута на оси. Гутцол [50] объяснил, что центробежное разделение «заторможенных» элементов и их адиабатическое разделение является причиной энергетического разделения в вихревой трубе. Пиралишвили и Поляев [51, 52] выполняли экспериментальные исследования на так называемой двухконтурной вихревой трубе. Двухконтурная вихревая труба демонстрировала свою более высокую эффективность в качестве системы охлаждения, чем обычные системы расширения газа. Lewins и Bejan [53] предположили, что градиент угловой скорости в радиальном направлении вызывал повышение силы трения между различными слоями вращающегося потока, приводящего к переносу энергии через работу сдвига от внутренних слоев к внешним. Трофимов [54] проверил, что изменение внутреннего момента количества движения обусловливает этот процесс. Guillaume и Jolly [55] работали на двухступенчатой вихревой трубе (две вихревые трубы, соединенные последовательно), в результате холодный поток с первой вихревой трубы подается на вход второй. По их результатам можно сделать вывод о том, что при одинаковых входных температурах двухступенчатая вихревая труба обеспечит более высокое температурное разделение, чем одна, работающая независимо. Manohar и Chetan [56] использовали вихревую трубу для
отделения метана и азота из смеси и обнаружили, что частично сепарированный газ на одном выходе имел более высокую концентрацию метана, по сравнению с входным потоком, и низкую концентрацию на втором выходе.
Saidi и Valipour [57] представили классификацию параметров, влияющих на работу вихревой трубы. В своей работе они представили и 1 изучили влияние на работу вихревой трубы следующих параметров: давление газа на входе, используемый газ и массовая доля охлажденного потока, влажность входного потока, а также ряд геометрических параметров, таких как диаметр и длина вихревой трубы, диаметр выходных отверстий, форма вводных сопел. Singh [58] и другие также представили влияние различных параметров на работу вихревой трубы, как доля холодного потока, количество и форма сопел, диаметр диафрагмы, площадь горячего выхода трубы и калибра (отношения длины трубы к ее диаметру). Они заключили, что форма вводных сопел более существенна для получения максимального температурного разделения, чем форма и расположение диафрагмы. Кроме того, они обнаружили, что длина трубы не оказывала ни какого влияния на показатели вихревой трубы в диапазоне от 45 до 55 калибров. Riu и др. [15] исследовали отделение с помощью вихревой трубы известняковой пыли с размерами частиц 5 и 14,6 мкм. Они показали, что вихревая труба может использоваться как эффективное средство для предварительной очистки газовых потоков от жестких частичек в промышленности.
Большое количество экспериментальных работ было выполнено под руководством A.M. Русака в УГАТУ совместно с ОАО НИИТ (г. Уфа) (Ахметов Ю.М.). В 2003 - 2004 годах проведены работы по исследованию двухступенчатой вихревой трубы, формы вводных сопел и влияния крестовины на величину энергоразделения.
В 2004 — 2006 Русаком A.M. и Ахметовым Ю.М. были проведены работы по возможности получения изотермического процесса
дросселирования газа с использованием вихревых труб и созданных на их основе вихревых изотермических регуляторов давления газа [59]. В те же годы выполнены работы по созданию и исследованию трехпоточных вихревых труб, для очистки транспортируемого природного газа от тяжелых углеводородов и несанкционированной влаги. Эффективность очистки достигала 92% по массе.
Promvonge и Eiamsa-ard [60] экспериментально изучили энергетическое разделение в вихревой трубе с улиточным подводом. Судя по представленным экспериментальным данным, используемое ими улиточное закручивающее устройство способствовало повышению температурного разделения и улучшению эффективности по сравнению с простым тангенциальным подводом. Promvonge и Eiamsa-ard [61] снова представили влияние числа вводных сопел, диаметра диафрагмы и тепловой изоляции на снижение температуры и эффективность вихревой трубы. Gao и др. [62] использовали специальную трубку Пито и термопары для измерения распределения давления, скорости и температуры в вихревой трубе. Диаметр трубки Пито составлял 1 мм, с одним отверстием диаметром 0.1 мм. В своей работе авторы изучали влияние различных входных условий. Они обнаружили, что скругление входных кромок может способствовать усилению и увеличению размеров вторичных циркуляционных потоков и улучшению показателей системы. Aydin и Baki [63] проводили экспериментальные исследования противоточных вихревых труб с различными геометрическими и термо-физическими параметрами. Геометрия трубы была оптимизирована для получения максимальной температурной разницы между входным и выходным холодным потоком. Помимо изменения обычного ряда параметров, было изучено влияние диаметра вводных сопел, формы регулировочного клапана, влияние различных входных давлений, различные газы (воздух, кислород, азот).
С 2007 по 2008 годы автором проведены экспериментальные работы по изучению полей скорости и температуры в стандартной вихревой трубе [64].
Все наиболее полные и достоверные экспериментальные данные, полученные различными исследователями, собраны в таблице 1.1. В таблице можно обнаружить самые разнообразные по размерности вихревые трубы, с различными входными параметрами. Например, диаметр самой маленькой трубы составляет всего лишь 4.6 мм, а самой большой - 800 мм. Представлены также и различные значения температурного разделения между входным потоком и выходными потоками (холодным и горячим). Например, Шепер [25] на стандартной вихревой трубе при входном давлении 2 атмосферы (абсолютных) получил разность температур на входе и на холодном выходе около 8 С, в то время как УеппоБ [32] при абсолютном входном давлении 5,8 атмосферы получил снижение температуры всего на 12 С. Это говорит о том, что на данный момент невозможно предсказать, как поведет себя та или иная конструкция, так как точная структура течения и механизма энергетического разделения пока не ясна. Создание точной расчетной методики, наверное, будет возможно после точного понимания механизма энергоразделения.
Таблица 1.1 - Сводная таблица результатов экспериментальных исследований вихревого эффекта различными авторами |
Относительно радиального градиента статической температуры Scheper
[25], Scheller и Brown [28] утверждают, что статическая температура уменьшается по направлению от центра к периферии, в то время как другие
исследователи доказывают уменьшение статической температуры по направлению к центру.
1.5 Обзор теоретических и численных работ по исследованию вихревого эффекта
Энергетическое разделение впервые было объяснено Ранком в его патенте 1923 г. Он предложил гипотезу о том, что внутренние слои расширяются, вырабатывая холод, одновременно сжимая внешние и заставляя их нагреваться [65]. Эта теория, основанная на невязком непроводящем потоке, была отклонена самим Ранком в 1933 г, когда он заявил, что сжатые внешние слои в вихревой трубе имеют малую скорость, в то время как внутренние расширенные слои обладают значительно более высокой скоростью, а, следовательно, и более высокой кинетической энергией. Такое распределение скоростей вызывало значительное повышение трения между разными слоями, как следствие перенос энергии от внутренних слоев к внешним слоям. Хилып [3] поддержал теорию, выдвинутую Ранком [1, 2], заявив, что холодный поток расширяется от величины высокого давления возле стенки к низкому давлению в центре и при этом процессе отдает значительную часть кинетической энергии к внешним слоям через внутреннее трение. Это устанавливает постоянную угловую скорость по сечению вихревой трубы.
После Хилыпа теоретическое изучение было выполнено КаББпег и КпоегпБсЫШ [66] которые получили закон касательных напряжений в круговом потоке и применили полученные результаты к вихревой трубе. Они предположили, что изначально в вихревой трубе устанавливается свободный вихрь, формирующий соответствующее распределение давлений, которое является причиной температурного разделения, соответствующего адиабатическому расширению, ведущему к низкой температуре в зоне с низким давлением, т.е. в приосевой области. Из-за касательных напряжений характер потока «вниз» по трубе медленно изменяется, и свободный вихрь переходит в вынужденный. Эта перестройка свободного вихря в вынужденный начинается на границах, т.е. в центре и на стенке, тем самым, порождая радиальный поток кинетической энергии, направленный к периферии. Кроме того, турбулентный перенос при наличии сильного радиального градиента давлений приводит к профилю температур, которые почти полностью соответствуют температурному распределению, обусловленному распределением давлений в вынужденном вихре. Перенос энергии вдоль температурного градиента приводит к понижению температуры в центре. Это - наиболее широко одобренное объяснение эффекта Ранка [67].
Webster [68] предполагал, что перенос энергии к периферии из любой заданной точки происходит за счет реакции отдачи расширения газа в этой точке. Это мнение не было принято многими исследователями вихревого эффекта, включая Фултона (Fulton) [65], который предложил свою собственную гипотезу. Фултон [65] так же как и Ранк [1, 2] с Хилыпем [3], доказывал, что энергетическое разделение есть результат обмена энергии между приосевыми слоями с высокой угловой скоростью и периферийными слоями с низкой угловой скоростью: приосевой поток ускоряется за счет внешнего. Он считал, что отношение потока центробежной кинетической энергии к центростремительному тепловому потоку для свободного вихря выражается двойным турбулентным числом Прандтля и обусловливает низкую эффективность вихревой трубы на газах с низким числом Прандтля, при условии незначительности осевых и радиальных градиентов скорости. Однако результаты испытаний реальных вихревых труб отличались в два раза от рассчитанных по гипотезе Фултона, что привело его к заключению о неправомерности некоторых из его упрощений. Он также предложил модель течения в трубе. Scheper [25], основываясь на своих измерениях, сформулировал теорию, базирующуюся на вынужденном конвективном теплопереносе от центра к периферии, подобно двухтрубному теплообменнику. Градиент статической температуры, необходимый для переноса тепла, был очень маленький и неоднородным по длине трубы. Данная теория критиковалась и была отклонена Фултоном [69] из-за отсутствия достойного объяснения. Van Deemter [70] независимо пришел к тем же выводам, что и Фултон [65]. Он отметил, что расхождение расчетов Фултона [65] от экспериментальных данных было обусловлено неправильной оценкой турбулентного теплового потока. Van Deemter применил расширенное уравнение Бернулли для закрученного потока и рассчитал температурное распределение для различных полей скорости. Полученные данным образом значения температур более соответствовали экспериментальным результатам Хилыпа [3]. Данное приближение было получено введением дополнительного члена в уравнение энергии, описывающего турбулентное перемешивание.
Hartnett и Eckert [27] рассматривали простую модель турбулентного вращающегося потока с квазитвердотельным ядром; данная модель обеспечивала разность температур между стенкой и осью, которая была выше экспериментальных данных, но все равно достаточно близкой. Они объясняли эту разность между теоретическими и экспериментальными данными тем, что в их ней простой модели пренебрегали осевыми скоростями. Они также сообщили, что градиент статической температуры увеличивается в радиальном направлении от центра к стенке. Deissler, Perlmutter [71], Абросимов [72] подобно другим исследователям, рассматривали осесимметричную модель, в которой тангенциальная скорость и температура были независимы от осевого положения. Они разделили вихрь на ядро и кольцевую область, каждую с разной, но однородной осевой массовой скоростью. На основе своих аналитических рассуждений они заключили, что турбулентный энергоперенос - наиболее важное явление, определяющее полную температуру жидкого элемента.
Соотношение между расчетными и экспериментальными данными Хилыпа [3] было достаточно полное, несмотря на допущение осесимметричности потока. Они также ввели новый параметр - турбулентное радиальное число Рейнольдса, характеризующее распределение скорости и температуры. Так как оно не могло быть определено напрямую, они использовали вместо него отношение радиальных и тангенциальных скоростей на относительном радиусе, как параметр. Необходимо отметить, что этот параметр был введен для приближений к экспериментальным данным и подобен подходу Van Deemter [70].
Lay [73] предположил, что допущение Deissler и Perlmutter [71] о постоянной осевой скорости в их аналитической модели вихревой трубы не подтверждено экспериментальными данными и нуждается в проверке. Модель Lay включала свободный вихрь с радиальным снижением потока и постоянную осевую скорость. С помощью данной модели Lay рассчитал оптимальную величину диафрагмы, но, тем не менее, данные расчеты неприменимы для общего случая. Suzuki [74], основываясь на своих наблюдениях, сделал вывод о больших радиальных скоростях и заключил, что в центральной области находится вынужденный вихрь, а в периферийной - свободный. Крамаренко [75] заменил трехмерный установившийся поток на неустановившийся двухмерный поток, заменив осевую координату временем. Он пренебрег осевыми и радиальными касательными силами, и его модель стала качественно согласовываться с экспериментальными данными Lay [73] и Шепера [25] и др [76]. Рейнольде [77] выполнил численный анализ вихревой трубы.
Детальный анализ порядка величин использовался для различных потоков, появляющихся в уравнении энергии, и сравнивался с экспериментальными данными. Он заключил, что потоки тепловой и механической энергии существенны. Lewellen [78, 79] скомбинировал три уравнения Навье - Стокса для сильно закрученного осесимметричного потока несжимаемой жидкости со снижением радиальной закрутки потока и пришел к решению асимптотического ряда. Linderstrom-Lang [80] занимался аналитическим изучением полей скорости и температуры в вихревой трубе. Он вычислил осевые и радиальные градиенты касательного профиля скорости с помощью заданных вторичных функций тока, построенных на аппроксимации нулевого порядка, уравнения моментов, построенного Lewellen [81] и Кныш [82] для несжимаемой жидкости. Распределение полной температуры в осевом и радиальном направлениях также было подсчитано с помощью вторичных функций тока и соответствующих результатов измерения тангенциальных скоростей, на основе аппроксимации турбулентного уравнения энергии. Результаты расчетов качественно согласовывались с экспериментальными данными.
Kurosaka [83], изучавший эффект Ранка-Хильша, продемонстрировал, что акустический поток, вызванный возмущениями закрученного течения, является важной причиной проявления эффекта Ранка-Хильша. Он показал аналитически, что поток, вызванный чистым тоном (вращающаяся волна соответствовало первой касательной моде), деформировала вихрь Ренкина в вынужденный вихрь, что приводило к разделению по полной температуре в радиальном направлении. Это было подтверждено его измерениями на однопоточной вихревой трубе. Schlenz [42] проводил численные исследования полей течения и процесса температурного разделения в однопоточной вихревой трубе. Вычисления были выполнены для двухмерного осесимметричного потока сжимаемой жидкости с привлечением метода Галеркина и нулевого уравнения модели турбулентности с целью решения уравнений массы, моментов и сохранения энергии. В результате были определены поля скорости и температуры в вихревой трубе. Результаты расчетов не соответствовали экспериментальным данным, но качественно довольно неплохо согласовывались с измерениями Lay [73]. Численные исследования большой противоточной вихревой трубы с малой длиной камеры энергоразделения были выполнены Amitani и др. [43, 84, 85]. Было проведено численное решение уравнений сохранения массы, моментов и энергии двухмерной модели в предположении о спиралевидном движении в осевом направлении для невязкой сжимаемой идеальной жидкости. Они показали хорошее соответствие своих расчетов экспериментальным данным и заключили, что во вращающемся потоке сжимаемость является важнейшим фактором, обусловливающим температурное разделение.
Stephan [86] и др. сформулировали общее математическое выражение для процесса энергетического разделения, но оно не может быть разрешено из-за сложности системы уравнений. Помимо системы уравнений, был представлен критерий подобия для определения температуры холодного потока, который соответствовал критерию подобия, полученному из анализа размерностей [44]. Эксперименты с воздухом, гелием и кислородом в качестве рабочего тела подтвердили хорошее совпадение теоретических расчетов и критерия подобия. Анализом размерностей также пользовались Negm и др. [45], которые показали, что для геометрического подобия внутренний диаметр трубы является главным параметром, и это было подтверждено имеющимися у них экспериментальными данными. Корреляция, полученная из теоретических и экспериментальных данных, была использована для определения полного охлаждения воздуха в вихревой трубе.
Balmer [87], проводивший теоретическое исследование явления температурного разделения в вихревой трубе, использовал второй закон термодинамики, для того чтобы показать возможность температурного разделения с суммарным увеличением энтропии при использовании несжимаемой жидкости. Это было доказано экспериментально, когда вихревая труба, с водой в качестве рабочего тела, показала наличие температурного разделения при достаточно больших давлениях потока на входе. Nash [88] разбирал термодинамику расширения вихря и оценивал ограничения конструкций вихревых труб с целью улучшения их эксплуатационных характеристик, и проводил эксперименты на своих модернизированных конструкциях для применения в холодильных агрегатах. Борисов и др. [89] изучали поля скорости и температуры потока в вихревой трубе, используя модель, основанную на аналитическом решении комплексного вихревого потока в ограниченных областях и основанную на аппроксимации несжимаемого потока, для определения трех компонентов скорости пространственной спиралевидной вихревой структуры. Значения скорости подставлялись в уравнение энергии, в котором рассматривался только конвективный теплообмен, благодаря комплексной топологии гидродинамических полей. Рассчитанные поля температур качественно соответствовали экспериментальным данным.
АЫЬогп и др. [47] развивали двухкомпонентную модель для определения пределов температурного разделения в стандартной вихревой трубе. Они показали, что экспериментальные значения температурного разделения, с воздухом в качестве рабочего тела, находились в пределах расчетных значений и что скорость потока внутри вихревой трубы всегда оставалась дозвуковой. Гутцол [50] обсуждал существующие теории вихревого эффекта и сформулировал новый подход к объяснению эффекта Ранка, который объяснял некоторые нестандартные экспериментальные данные. Гутцол и Бакен [90] изучили эффективность теплоизоляции микроволновой генерации плазмы с помощью обратного вихревого потока, используя экспериментальные и численные данные. Они заключили, что эффект возникает из-за радиального движения турбулентных микрообъемов с разной тангенциальной скоростью в сильном центробежном поле. СоскегШ [91] применял вихревую трубу для сжижения газов и разделения смесей применительно к обогащению урана для определения основных рабочих характеристик, зависимостей между температурой холодного потока, температурой горячего потока, массовой долей холодного потока, а также зависимости между температурой стенки горячего выхода и длиной горячей трубы.
СоскегШ также представил математическую модель сжимаемого турбулентного потока в вихревой трубе. РгоЫ^зёогГ и Шег и др[92,- 93] изучали явление скоростного и температурного разделения, возникающего в вихревой трубе, при помощи системы компьютерного моделирования СБХ с к - е моделью турбулентности. Promvonge [94] представил математическую модель сильно закрученного сжимаемого потока в вихревой трубе с применением алгебраической модели в напряжениях Рейнольдса (algebraic stress model —ASM) и к — е модели турбулентности для изучения характеристик потока и температурного разделения в однопоточной вихревой трубе. Расчеты показали температурное разделение, а также хорошее соответствие полей скорости и температуры экспериментальным замерам. Использование ASM дало более хорошие результаты, чем просто использование к-е модели.
Behera и др. [95, 96] исследовали применение сопел различного профиля, плюс меняли количество вводных сопел для противоточной вихревой трубы с помощью программного кода STAR-CD, используя нормализованную к- модель турбулентности RNG (Renormalization Group). Aljuwayhel и др. [97, 98] моделировали энергетическое разделение и поля скорости противоточной вихревой трубы, используя коммерческий CFD пакет FLUENT, и заключили, что RNG к — е модель определяет поля скорости и температуры лучше стандартной к — е модели турбулентности. Данные выводы противоречат результатам, опубликованным Skye [99], который утверждал, что стандартная к — е модель лучше моделирует работу вихревой трубы, чем RNG к — е модель, несмотря на использование того же самого коммерческого CFD пакета FLUENT. Некоторые из этих исследователей пытались использовать модели турбулентности более высокого порядка, но они не могли добиться сходимости решения из-за численной неустойчивости расчета сильно закрученного потока.
О применении математических моделей для моделирования температурного разделения в вихревой трубе Ранка-Хилыпа также докладывалось Eiamsa-ard и Promvonge и др. [100]. Эти работы были направлены на физическое моделирование скоростей, давлений и температур в вихревой трубе. Моделирование производилось конечно-объемным методом с использованием как стандартной к — е модели турбулентности, так и ASM модели. Расчеты показали, что использование обеих моделей дает достаточно точную качественную картину, но ASM модель дает более точную численную модель. Наконец, вычисления с последовательным исключением элементов уравнения энергии показали, что перераспределение средней кинетической энергии имело существенное влияние на максимальное температурное разделение, наблюдаемое возле вводных сопел. Вниз, по потоку, на значительном удалении от вводных сопел температурное разделение тоже было значительным. Для большинства найденных в литературе численных решений используются модели турбулентности первого порядка, которые считаются неприменимыми для пространственных, сжимаемых потоков вихревой трубы.
Соловьев A.A., Гурин C.B. и др. [101, 102] используя академический код CFD пакета COSMOS, производили моделирование работы вихревой трубы на режиме /и — 1. Их результаты имели достаточно высокую сходимость с экспериментальными данными, на данном режиме работы, к тому же был смоделирован изотермический режим вихревого регулятора давления газа.
Используя коммерческий код STAR-CD и суперкомпьютер УГАТУ, Соловьев A.A. с высокой точностью смоделировал эффект энергоразделения в вихревой трубе, практически на всех режимах работы по параметру р.. Используемые в работе к-е и RNG модели турбулентности не показали заметной разницы.
1.6 Заключение
Экспериментальные работы
В основном, все экспериментальные исследования вихревой трубы можно разделить на две группы. Исследователи, придерживающиеся первой группы, изучают влияние различных геометрических параметров на работу и эффективность вихревой трубы. Вторая группа исследователей делает упор на изучение механизма энергетического разделения в вихревой трубе, измеряя давления, скорости и температуры в различных точках между вводными соплами и дросселем на горячем выходе. Эти исследователи, в основном, работают на режиме р = 0, т.е. используют прямоточную вихревую трубу, в которой отверстие диафрагмы полностью закрыто и весь воздух выходит через дроссель, расположенный на горячем выходе вихревой трубы. Все параметры, определяющие температурное разделение в вихревой трубе, можно выделить в две категории: геометрические и термодинамические. Общие рекомендации большинства авторов по этим параметрам можно представить в объединенном виде:
Увеличение числа вводных сопел ведет к увеличению температурного разделения в вихревой трубе.
Использование малых диафрагм (//О = 0.2, 0.3 и 0.4) способствует увеличению противодавления, в то время как большие диафрагмы (с1/Б = 0.6, 0.7, 0.8, и 0.9) приводят к повышенным тангенциальным скоростям на холодном выходе, в результате и те, и другие приводят к снижению температурного разделения в трубе.
Оптимальные значения для наиболее эффективной конструкции вихревой трубы: диаметр диафрагмы ~ 0.5, угол открытия дросселя (р ~ 50, длина вихревой трубы ЬЮ ~ 20, суммарная площадь вводных сопел дЮ ~ 0.33.
Оптимальное значение входного давления составляет порядка 6 атмосфер, хотя большее давление приводит к увеличению энергетического разделения. Наибольшее температурное разделение было получено на гелии в качестве рабочего тела, чем на кислороде, метане и воздухе.
Теоретические и численные работы
Большинство аналитических и теоретических работ, направленных на объяснение эффекта температурного разделения в вихревой трубе, оказались безуспешными. Также некоторые попытки применения численного анализа (см. таблицу 1.2) не смогли точно смоделировать поля скорости и температуры в вихревой трубе из-за сложности потока и эффекта температурного разделения. Ошибка данных расчетов заключается в упрощенных моделях, применяемых для описания потока. Последние численные работы с использованием моделей турбулентности первого и второго порядков дают значительно более точные результаты, чем работы, выполненные в последнее десятилетие.
Не малое значение при численном моделировании имеет размерность и возможности применяемых вычислительных систем. Так, применение для этих целей персональных компьютеров заставляет многих исследователей переходить либо на двухмерные модели, либо выделять из вихревой трубы только сектор и результаты расчета в нем в последствии аппроксимировать на всю вихревую трубу. В то время как использование уникальных суперкомпьютерных технологий, например, таких как суперкомпьютер УГАТУ, позволяет исследователю не прибегать к упрощению моделей и получать более качественные результаты, при прочих равных условиях.
Таблица 1.2 - Сводная таблица результатов численных исследований вихревого эффекта различными авторами
Похожие диссертации на Численное и физическое моделирование процессов энерго и фазоразделения в вихревых трубах
