Введение к работе
Актуальность темы исследования. Исследования в области энергосбережения относятся к приоритетным направлениям развития современной науки. Системы лучистого отопления обладают рядом преимуществ по сравнению с конвективными: 1) для обеспечения необходимой температуры в рабочей зоне не нужно отапливать всё помещение, а достаточно применять местный обогрев; 2) выход на требуемый режим работы осуществляется в течение нескольких минут; 3) возможность индивидуального монтажа системы отопления для каждого помещения; 4) высокий, свыше 90%, КПД. Всё это позволяет относить газовые нагреватели к классу энергосберегающих систем.
Газовые нагреватели являются сложными техническими устройствами. При моделировании газодинамических процессов в технических объектах часто приходится сталкиваться с такими трудностями как сложная геометрия изучаемого объекта, требующая построения криволинейной сетки для области расчета, необходимость совместного учета различных процессов, сложность задания начальных или граничных условий, которые приводят к усложнению математической модели, описывающей тот или иной процесс. Чем сложнее и объемнее построенная математическая модель, тем труднее она в реализации. По этой причине становится весьма актуальной задача разработки методики, позволяющей рассчитывать подобные модели.
Методика численного расчета, предлагаемая в данной работе, не претендует на общность, но позволяет учесть взаимное влияние газодинамических процессов и процессов теплообмена, протекающих в модернизированном инфракрасном нагревателе.
Среди работ, посвященных изучению гидродинамики можно выделить работы таких ученых, как Лойцянский Л.Г., Шлихтинг Г. Разработке моделей описания процесса турбулентности посвящены работы Колмогорова А.Н., Кутателадзе С.С, Липанова A.M., Булгакова В.К., Рейнольдса А.Дж., Секундова А.Н. Моделирование процессов горения рассматривается в работах Алемасова В.Е., Зельдовича Я.Б., Сполдинга Д.Б. Исследование возможности применения разностных методов применительно к решению задач механики сплошных сред проводится в работах Андерсона Д., Белоцерковского О.М. Оран Э., Патанкара С, Роуча П., Флетчера К.
Объектом исследования являются газодинамические и тепловые процессы в газовых нагревателях.
Предметом исследования являются математические модели процессов гидродинамики, горения и теплообмена, протекающие в газовых нагревательных устройствах.
Целью диссертационной работы является разработка математических моделей, алгоритмов и вычислительных методов расчета сопряженных газодинамических и тепловых процессов в инфракрасном нагревателе.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
построение математических моделей, описывающих трехмерное стационарное турбулентное течение в газодинамическом тракте инфракрасного нагревателя с учётом процессов горения и лучистого излучения;
разработка методики численного решения задачи сопряженного теплообмена между трубой-излучателем и отражателем;
численное исследование влияния особенностей конструкции нагревателя на распределение температур и тепловых потоков внутри нагревателя и в обогреваемой зоне, позволяющее сделать рекомендации по улучшению конструкции инфракрасного нагревателя.
Теоретические и методологические основы исследования. В работе использованы дифференциальные уравнения, отражающие основные законы механики жидкости и газа, численные методы интегрирования уравнений гидродинамики, решения линейных и нелинейных систем уравнений.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена проведенными исследованиями сходимости численных методов, проверкой разработанных методик на решении тестовых задач и сравнением результатов расчетов с экспериментальными данными и результатами, полученными другими авторами.
На защиту выносятся:
математическая модель стационарных турбулентных течений в трубах-излучателях инфракрасного нагревателя, учитывающая процессы горения, лучистый и конвективный теплообмен между элементами конструкции, основанная на уравнениях гидромеханики, записанных в пространственной системе координат;
методика численного расчета задачи сопряженного теплообмена между элементами конструкции инфракрасного нагревателя;
результаты численных параметрических исследований пространственных турбулентных течений в трубах-излучателях инфракрасного нагревателя, позволяющие установить зависимость параметров рабочей зоны от конструктивных особенностей газового прибора.
Научная новизна работы:
на основе стационарных уравнений гидромеханики и теплообмена построена трехмерная математическая модель процессов в инфракрасных нагревателях;
разработаны методики численного расчета, учитывающие особенности совместного протекания физических процессов в инфракрасных нагревателях и позволяющие получить количественные оценки тепловых характеристик газовых нагревательных устройств;
получены зависимости тепловых параметров обогреваемой зоны от конструктивных особенностей инфракрасных нагревателей.
Практическая значимость и реализация результатов исследования.
Разработанные математические модели и методики, реализованные в программном комплексе, могут быть использованы при проведении проектирования различных конфигураций инфракрасного нагревателя.
Научная апробация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: научной конференции - семинаре «Теория управления и математическое моделирование» (Ижевск, 31 января -4 февраля 2006), научно-практической конференции Радиозавода (Ижевск, 2006), научно-практической конференции «Научно-промышленная политика и перспективы развития Урала и Сибири» (Екатеринбург, июнь 2007), научной конференции - семинаре «Теория управления и математическое моделирование» (Ижевск, май 2008).
Публикации. Результаты работы отражены в 12 научных публикациях: 10 статей в научных журналах, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертаций, 3 статьи опубликованы за единоличным авторством.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка и список литературы из 176 наименований.
