Введение к работе
Актуальность работы. Специалистам в области машиностроения, энергетики, теплотехники и теплоснабжения известно несоответствие уровней развития экспериментальных и численных методов решения задач, возникающих при проектировании теплообменных аппаратов (ТА) и их устройств. К сказанному можно привести факты. Во – первых, применяемые в настоящее время методы расчета ТА базируются, как правило, на результатах физических экспериментов; примером обобщения экспериментальных данных с помощью теории подобия и полуэмпирических методов, приводящих к простым критериальным зависимостям и соотношениям для коэффициентов сопротивления и теплоотдачи служат работы А.А. Жукаускаса, Р.В. Улинскаса, В.И. Катинаса, относящиеся к вопросам конвективного переноса, гидродинамики и вибрациям, особенностям теплообмена, сопротивления и теплоотдачи поперечно обтекаемых пучков труб в области низких и высоких чисел Рейнольдса; работы исследователей В.Ф. Юдина, Л.С. Тохтаровой, В.М. Антуфьева, Г.С. Белецкого посвящены аналогичным проблемам поперечно обтекаемым пучкам ребристых труб; позже работы И.Д. Лисейкина, В. А. Локшина, И.Д. Аронова, В.Н. Фоминой – мембранным конвективным поверхностям нагрева. Во – вторых, численное моделирование течений и теплообмена с помощью ЭВМ и компьютерных технологий, использование возможностей которых сулит повышение точности расчетов ТА, и , что более важно, переход к их автоматизированному проектированию, пока еще не нашло должного широкого применения при решении задач, имеющих практический интерес. Естественно, это объяснимо как сложностью самих рассматриваемых задач, так и тем, что большинство существующей литературы по численным методам рассчитано на вычислителей – математиков, и для специалистов в области проектирования техники вряд ли доступны без соответствующей подготовки. Исключением является крайне ограниченное число работ, которым следует отнести монографию П.Роуча «Вычислительная гидродинамика», хотя не в полной мере отвечает требованиям предъявляемым к расчету при проектировании ТА и их элементов (не все режимы течений рассматриваются, отсутствуют примеры конкретных реализаций и др.). В третьих, прогресс в развитии ЭВМ, компьютерных технологий и потребность доведения расчетных этапов проектирования ТА и их элементов до современного уровня стимулировала интерес к численному моделированию, но появление ряда статей по проблемам тепломассопереносу при вынужденной конвекции в журналах и обзорных материалах имеют недостатки, которые носят ущербный характер точности решения, игнорируя вопросы адекватности математической модели и эффективности расчетной процедуры и др.
Как отмечалось, проблемы проектирования ТА и их устройств изначально базируются на теплофизических исследованиях протекающих в них процессов, в частности, это касается анализа конвективного теплообмена в пучках труб кругового сечения и др. В подтверждение этого могут служить работы В.М. Кейса, А.Л. Лондона, С.К. Фергузона, посвященные теории расчета теплопередачи и гидравлического сопротивления компактных теплообменников, основанные на обработке физических экспериментов. Главное внимание уделено использованным общим представлениям и основным принципам и понятиям, положенным в основу расчета, а где возможно, и в алгебраической форме.
Расчетные исследования ТА и их устройств, основанные на решениях уравнений Навье – Стокса и энергии, до сих пор носят единичный характер, причем первые из этих работ относятся к начальному периоду развития вычислительной гидродинамики и теплообмена (CFD) , а обобщившая эти исследования энциклопедическая монография И.А. Белова и Н.А.Кудрявцева «Теплоотдача и сопротивление пакетов труб», опубликована почти двадцать лет назад. Появление и современное развитие ЭВМ и компьютерной техники может существенно повышать эффективность решения научных инженерных задач. Новые результаты достигаются при разработке программ, предназначенных для решения сложных задач,
связанных с исследованиями численными методами с использованием ЭВМ и компьютерных технологий течения и теплообмена в коридорных регулярных структурах продольно оребренных пучков труб кругового сечения поперечным потоком вязкой несжимаемой жидкости. Анализ результатов модельного, численного эксперимента, может служить решением ряда вопросов направленных на решение общей проблемы рационального использования энергетических ресурсов, которая была и остается одной из наиболее важных при проектировании различного рода ТА и теплоэнергетических установок (ТЭУ). В значительной степени эффективность использования последних в технике определяется особенностями обтекания и аэродинамическим сопротивлением теплообменных поверхностей, которые в большинстве случаев представляют собой пучки труб. Расчеты обтекания труб и определение локальных и интегральных нагрузок на них, включая тепло- и массообменные процессы, базируются на методах физического и численного экспериментов. Вплоть до настоящего времени в практике расчетов при проектировании ТА и ТЭУ предпочтение все еще отдается физическому эксперименту. В подтверждение сказанного могут служить обобщения, которые приведены выше и содержатся в работах отечественных и зарубежных авторов.
Среди известных методов математического моделирования течения и теплообмена в трубных пучках выделяется численное моделирование или, так называемый, численный эксперимент, позволяющий получить наиболее подробную информацию о течении и теплообмене труб кругового сечения путем прямого численного интегрирования точных уравнений Навье – Стокса и энергии. Кроме того, численный эксперимент течений и теплообмена с помощью ЭВМ сулит в перспективе не только снижение стоимости эксперимента, но и повышение точности расчетов ТА и их устройств, и , что более важно, как отмечено выше, переход к их автоматизированному проектированию. Отметим, что традиционный способ получения необходимой информации по характеристикам течения и теплообмена заключается в создании дорогостоящей масштабной модели исследуемого пучка труб, проведением замеров и на основании полученных результатов построении эмпирических зависимостей безразмерных коэффициентов сопротивления и теплоотдачи от числа Рейнольдса, Прандтля и геометрических параметров – для каждой новой компоновки пучка труб необходимо создавать новую модель. Все сказанное относится к решению задачи с помощью численного моделирования течения и теплообмена в регулярном коридорном продольно оребренном пучке труб кругового сечения поперечным потоком вязкой несжимаемой жидкости. Численные эксперименты таких пучков отсутствуют в известных литературных источниках, хотя физические эксперименты имеются в достаточном количестве. В этой связи разработаны комплексы вычислительных программ «Коридор» , «Трубные пучки», «Корреляция Эйлер - Нуссельт» для ЭВМ, а также предлагается эффективный разработанный метод расчета «среднего» Фурье , основанный на использовании комплексного преобразования Фурье с конечными пределами, применение которого позволяет получить достоверную и надежную информацию расчетных параметров течения и теплообмена по двум базовым, найденным с помощью ЭВМ.
Отметим, что решение задачи численного моделирования течения теплообмена в прямолинейно оребренных пучках труб отличается большой сложностью не только для турбулентного, но и для ламинарного режима течения, о чем свидетельствуют ограниченное число работ, где численно исследован в основном ламинарный режим течения и теплообмена гладкотрубных пучков. В них указывается, что для ламинарного диапазона изменения числа Рейнольдса имеет место большое рассогласование результатов расчетов с экспериментальными данными за счет не учета эффектов нестационарности в межтрубном пространстве, изучая обтекание пучков гладких труб. Учет такого рода эффектов помимо теоретической важности, заслуживает внимания также и с практической точки зрения.
Отмеченные аспекты практического значения и теоретический интерес проблемы численного исследования сопротивления и теплоотдачи в регулярных коридорных структурах
пучков круговых продольно оребренных труб ТА поперечным потоком вязкой несжимаемой жидкости в ламинарном диапазоне изменения числа Рейнольдса говорят об актуальности темы исследования.
Таким образом, актуальность темы исследования, ставит задачу разработки комплексов программ и других программных продуктов для исследования проблемы течения и теплообмена в регулярных коридорных структурах ТА и их элементов с целью дальнейшего изучения механизма неизотермического обтекания твердых тел в идее прямолинейно оребренных пучков труб кругового сечения в области низких чисел Рейнольдса вязкой несжимаемой жидкостью поперечным потоком.
Целью работы является исследование с помощью численного моделирования неизотермического течения и теплообмена в регулярных коридорных прямолинейно оребренных (ассиметрично и симметрично) пучках труб кругового сечения поперечным потоком вязкой несжимаемой жидкостью в ламинарном диапазоен изменения числа Рейнольдса при постоянном значении числа Прандтля (Pr = 0,73) и разработка комплекса программ за счет :
- совершенствования методики реализации математических моделей течения и теплообмена;
- постановки условий симметрии и периодичности течения и теплообмена на поверхности тубы и выбора способа интенсификации тепловых процессов в виде продольного оребрения и его взаимного расположения;
- составления программных продуктов реализации задачи исследования;
- дискретизации расчетной области, ее разностной аппроксимации исходной системы уравнений и использовании вычислительного алгоритма расчета течения и теплообмена в коридорных регулярных гладкотрубных пучках;
- установления метода «среднего» Фурье эффективного получения параметров корреляционных зависимостей течения теплообмена по двум базовым;
- исследования сравнительной эффективности гладкотрубных и продольно оребренных пучков труб.
Для достижения поставленной цели работа содержит.
- Методы расчета течения теплообмена в регулярных структурах поперечно обтекаемых оребренных пучках труб кругового сечения и анализ результатов физического и численного экспериментов.
- Расчет течения теплообмена в регулярном коридорном пучке труб кругового сечения в ламинарном диапазоне изменения чисел Рейнольдса.
- Численное исследование стационарного обтекания регулярного коридорного пучка труб кругового сечения .
- численное моделирование стационарного поперечного ламинарного течения и теплообмена в мембранных конвективных регулярных коридорных пучках труб кругового сечения и анализ результатов.
- Использование комплексного интегрального преобразования Фурье в исследовании течения и теплообмена и установление метода «среднего» Фурье в численном моделировании.
- Численное моделирование обтекания и теплообмена в продольно оребренных регулярных коридорных пучках труб поперечным потоком вязкой несжимаемой жидкости.
- Оценку сравнительной эффективности регулярных коридорных пучков труб кругового сечения.
- Разработку комплекса программ численного исследования течения и теплообмена в регулярных коридорных структурах ТА и их элементов.
- Использование результатов численного исследования течения и теплообмена регулярных коридорных пучков труб кругового сечения и метода «среднего» Фурье в
практике исследований других наук.
- Приложение результатов исследований в практике.
Методы исследования. Основные результаты в работе получены с помощью реализации математических моделей течения и теплообмена (нелинейная система уравнений: неразрывности, Навье – Стокса и энергии) осуществлялось численными конечно-разностными итерационными с использованием метода контрольного объема (КО) и процедуры SIMPLE методами на ЭВМ. Ряд результатов получены с помощью анализа результатов численного моделирования и проведенных сравнительных данных, существующих в литературных источниках, других авторов, а также с использованием метода «среднего» Фурье. Экспериментальные данные подвергались статистической обработке с помощью программного продукта, разработанного автором «Корреляция Эйлер - Нуссельт», компьютерных программ Mathcad, Exel и др.
Достоверность результатов работы подтверждается :
- хорошим согласованием их с имеющимися численными и экспериментальными данными других авторов;
- хорошим согласованием тестовых расчетов;
- использованием современных методов визуализации течений и теплообмена в виде картин течения функции тока и изотерм;
- графической иллюстрацией корреляционных зависимостей локальных и интегральных характеристик обтекания и теплоотдачи.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- впервые выполнена постановка и проведено решение задачи расчета течения и теплообмена в регулярном коридорном продольно оребренном пучке труб кругового сечения с симметричным и ассиметричным продольным оребрением с прямолинейным расположением ребер на поверхности несущей поперечно обтекаемой потоком вязкой несжимаемой жидкостью трубы;
- по результатам расчета зафиксирован ранее не известный факт отсутствия нестационарного вихреобразования и наличия ассиметрично стационарной картины течения и теплообмена в межтрубном пространстве;
- впервые проведены численные исследования и анализ результатов расчетов для компоновок пучков труб, представляющих практический интерес: мембранных, продольно симметрично и ассиметрично оребренных;
- впервые показана перспектива использования продольного оребрения пучка труб для повышения тепловой эффективности ТА и их элементов;
- получена новая практически важная информация о локальных и интегральных характеристиках течения и теплообмена как на поверхности трубы, так и в межтрубном и реберном пространстве (картины течения и теплообмена, точки отрыва и присоединения, графики корреляционных зависимостей течения и теплообмена, локальные минимумы и максимумы коэффициентов давления, трения, теплоотдачи);
- установлен метод «среднего» Фурье, позволяющий эффективно и экономно получать надежную и достоверную информацию о параметрах течения и теплообмена при численном моделировании и физических экспериментах;
- разработаны программы для ЭВМ «Коридор», «Трубные пучки», «Корреляция Эйлер - Нуссельт» и получены соответствующие регистрационные Свидетельства РФ;
- подтверждены результаты экспериментальных данных других авторов по оптимизации высоты ребра продольного оребрения;
- предложен метод оценки и получена формула расчета сравнительной эффективности трубных пучков кругового сечения;
- получен патент на изобретение «Ледяная переправа», который может быть использован в районах Севера и Дальнего Востока при сооружении мостовых переправ;
- предложено использование результатов численных расчетов задач фильтрации,
приоритетных факторов риска (экологического и социального) для создания усилий в решении задач приемлемых условий жизнедеятельности населения, региона и страны;
- даны рекомендации использования результатов численных расчетов для проектирования аппаратов по очистке газовых отходов нефтепереработке с целью их применения (представлены макеты аппаратов).
Научная и практическая ценность. Результаты , полученные в работе, имеют большое теоретическое и практическое значение. Можно констатировать, что решена крупная научно- практическая проблема неизотермического течения и теплообмена твердых тел поперечным потоком вязкой несжимаемой жидкостью в виде прямолинейно оребренных пучков труб кругового сечения. Они позволяют углубить и раскрыть представление о физической модели рассматриваемых течений и более четко описать ее определяющие механизмы. Разработанная методика численного моделирования течения и теплообмена позволяет определять тепловые и динамические характеристики ТА, ТЭУ и их элементов и других устройств и установить их оптимальные формы с целью достижения максимальной тепловой активности и минимального сопротивления при затратах одной и той же мощности на перемещение теплоносителя. Разработанные комплексы программ и алгоритмы позволяют решать также новые задачи вычислительного моделирования, связанные с разработкой и совершенствованием других структур, режимных течений, рабочих органов машиностроения, систем теплового управления потоками. Построенные комплексы программ позволяют использовать их при переходе к автоматизированному проектированию ТА, ТЭУ и другие. Алгоритмическая блок-сема решения задачи представляет собой самостоятельную научно-методическую ценность и внедрена в учебном процессе в КнАГТУ. Результаты нашли применение на «КнААПО» им Ю А Гагарина; ЗАО «Двльметаллургстрой»; ООО «Спецстройиндустрия»; МУП «Трамвайное управление»; ПО «Хлебная база № 59».
Автор защищает.
1.Оценку за счет выбора экстремально мелкой сетки качества полученной расчетной информации о течении и теплообмене в регулярном коридорном продольно оребренном пучке труб кругового сечения при использовании условий симметрии и периодичности в расчетной области.
2. Результаты расчета обтекания и теплообмена регулярного коридорного пучка труб кругового сечения поперечным потоком вязкой несжимаемой жидкостью.
3. Выводы о наличии ассиметрично стационарной картины течения и теплообмена в межтрубном пространстве ассиметрично оребренного пучка труб кругового сечения.
4. Расчетные результаты исследования обтекания теплоотдачи продольно оребренного регулярного коридорного пучка труб кругового сечения при симметричном и ассиметричном расположении ребер на поверхности несущей трубы, поперечным потоком вязкой несжимаемой жидкостью.
5. Метод «среднего» Фурье получения корреляционных зависимостей течения и теплообмена.
6. Оценку сравнительной эффективности трубчатых поверхностей теплообмена кругового сечения.
7. Выводы о перспективности продольного оребрения на основе анализа сравнительной эффективности гладкотрубного и оребренного пучков.
8. Использование методов численного моделирования и их результатов в практической и научной деятельности.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, республиканских научно-технических конференциях и семинарах.
1.На научно-технических конференциях Комсомольского на Амуре государственного технического университета (КнАГТУ) (г. Комсомольск на Амуре, 1988, 1989, 1990г.г.).
2. На научном семинаре по проблеме аэродинамике вихревых течений кафедры аэродинамики и динамики полета КНИЛ - 14 ОЛАГА (г. Ленинград,1988, 1989, 1990 г.г.).
3. На научном семинаре в лаборатории турбулентности ИТМО АН БССР (г. Минск, 1989, 1990г.г.).
4. На научном семинаре кафедры аэродинамики летательных аппаратов ЛИАП (г. Ленинград, 1990г.).
5. На научно-техническом семинаре кафедры аэродинамики КуАИ по вопросам механики жидкости и газов (г.Куйбышев, 1969, 1970 г.г.).
6. На математических конференциях в городах: Чебоксары (1967г.), Ярославле (1968г.), Горьком (1969г.).
7. На научном семинаре Института Кибернетики АН УССР (г. Киев, 1969г.).
8. На научно-технической конференции по проблемам механики сплошной среды (г. Комсомольск на Амуре, КнАГТУ, 1988г.).
9. На международном научно-техническом симпозиуме (г.Комсомольск на Амуре, КнАГТУ, 1995г.).
10. На международной научно-технической конференции ГОУВПО «КнАГТУ» (г. Комсомольск на Амуре, 2003, 2006 г. г.).
11. На международных научно-практических конференциях в области экологии и безопасности жизнедеятельности (г. Комсомольск на Амуре, 2007, 2008г.г.).
Ряд полученных расчетных результатов работы докладывались на профилирующих кафедрах КнАГТУ (1993 – 2008 г.г.) и семинарах Центра математического моделирования и информации КнАГТУ (1999 – 2008 г.г.).
В настоящее время результаты численного моделирования, полученные в работе используются на предприятиях города Комсомольска на Амуре (см. приложение в работе).
Личный вклад автора. В настоящей работе представлены результаты, полученные им, в основном, самостоятельно. Однако его вклад прослеживается по списку статей и свидетельств, которые содержатся в настоящем автореферате.
