Введение к работе
Актуальность работы Интенсивное развитие энергетики, промышленности, авиационной, ракетно-космической и атомной техники характеризуется все большим использованием теплообменных аппаратов в технологических процессах, энергетических и двигательных установках. Наибольшее значение интенсификация теплообмена имеет для авиационных и ракетньи двига.^лей, где предъявляются жесткие требования к габаритам и массе изделий, их нагчкности. В силу эт^го возникает необходимость в создании новых типов теплообменников и оптимизации конструктивных и режимных параметров тепообменных аппаратов еще на этапе проек чо-конструкторской проработки.
Одні'ч из современных методов интенсификаи ч теплообмена является применение ком.шанарного течения, которое обладает целым рядом свойств, способствующих увеличению теплоотдачи. До недар"его времени опыты по исследованию картины течения в компланарных каналах (КК) не проводились из-за сложности введения каких-либо приборов в компланарный тракт. Подробные экспериментальные данные весьма малочисленны. Вследствие этого, математическое моделирование является практически единственным спос. оом детального исследования компланарного течения тепоносителя в трактах теплообменных устройств.
Цель работы
- Создать численную модель развитого турбуг ;нтного течения в
системе компланарных Каналов.
Рассчитать гидравлические и тепловые характеристики для типичной ячейки смешения системы компланарных каналов.
Оценить достоверность полученных расчетных данных по результатам сравнения с даьными экспериментального исследования.
Научная новизна
Впервые выполнено численное моделирование трехмерного течения и теплообмена в ячейке смешен; л комплаї.арного тракта.
В ходе расчетов подтверждено существование чнтенсінюго массообмена между каналами, наличие в каналах вихревой структуры потока и несимметричного профиля скорости.
Исследованы особенности распределения в ячейке смешения локального коэффициента тепоотдачи п^ поверхности каналов, температурного состояния конструкции теплообменника.
- Разработана методика расчета основных теплотехнических
характеристик ячейки смешения.
Практическая ценность
- Расчетное моделирование позволяет во многих случаях отказался
от сложных и дорогостоящих экспериментальных исследований.
Результаты численного исследования компланарных каналов иогут использоваться при проектировании новых теплообменных аппаратов с подобным течен"ем теплоносителя..
Численная модель течения и теплообмена в ячейке смешения позволяет проводить оптимизацию основных конструктивных и режимных параметров проектируемых компланарных трактов.
Созданная модель позволяет определять температурное состояние когтгрукцин теплообменника, что н обходимо при прочностных расчс-'х.
Разработанный программный комплекс легко адаптируется для расчета течения и теплообмена в других видах теплообменных трактов.
/ пробаиия работы
Основные положения работы обсуждались на республиканской конференции "Проблемы горек. ія и охраны окружающей среды" (Рыбинск, 1994г.), на м кдународном аэрокосмическом конгресс*. "1АС ' 94" (Москва, 1994г.), на X международной школе-семинаре молодых ученых "International Symposium Heat Transfer Enliancement in Power МасЬлегу" (Москва, 1995г.), на научно-техническом семннарг кафедры "Ракетные двигатели" (МГТУ і.м. НЗ.Баумана, 1995г.).
Публикации
По результатам проведенных исследований опубликовано 3 печатных работы.
"груктура и объем диссертации
Диссертадионгля работа состоит из введения, пяги глап.'выводоп и списка литературы. По объему работа состоит из 127 страниц текста, 27 рисунков, б таблиц, библиография насчитывает 93 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБО і Ы Во введении обосновывается актуальность исследуемого і опроса, сформулированы цели и перечислены основные потожения, выносимые автором на зашиту.
В первой главе дан краткий обзор исследований по способам интенсификации теплообмена, по методам расчета течения теплоносителя, по применяемым в инженерной практике моделям турбулентности. Заключает главу постановка задачи исследования.
Известно, что существует большое количество способов интенсификации теплообмена е трактах современных теплообменных устройств. В большинстве случаев для увеличения теплоотдачи используется увеличение плошаді. теплообмена или организация отрывной турбулентной структуры потока на искусственк л\ шероховатости стенок канала. Увеличение теплоотдачи за счет да .ьнейшей турбулизации течения в будущем ма оперсп стивно, т.к. влечет все большие потери давления. Это, возможно, потребует создания других спсобов интенсификации теплообмена. Одним v., таких методов является закрутка потока теплоносителя и, в частности, компланарное течение, сочетающее в себе вихревой характер потока, развітую поверхность теплообмена, периодическую конструкцию канала, создающую искусственную шероховатость. Компланарное течение теплоносителя является сравнительно' новым способом интенсификации теплообмена, данные по характеру течения и теплообмену в КК малочисленны и разрознены, детальных исследований картины течения в них до последгто времени ..е было. Вследствие этого стоит задача изучения распределения поля скоростей и теплопередачи в компанарных трактах. В силу сложности и высокой стоимости экспериментальных исследований целесообразно сосредоточиться на чі зленном моделировании компланарного течения.
Так как течение в современных теплообменных аппаратах, и в системе КК в частности, носит трехмерных отрывной характер, то для расчета таких течений необходимо использовать П'тные уравнения движения в форме Навье-Стокса или в форме Рейнольдса, которые описывают наиболее широкий класс течений.
Наиболее разработанными и надежными для расчета течений жидкости являются на сегодня конечно-разностные методы с использованием шахматных сеток для расчета скоростей ч давл ний. Среди различных процедур связи поля скоростей и поля давлений особо выделяются благодаря своей надежности и простоте реализации SIMPLE-подобг 'е алгоритмы.
Модели турбулентности, применяемые сегодня в инженерной практике можно разделить на 2 класса : алгебраические модели
турбулентности, базирующиеся в основном на гипотезе Прандтля и моделях турбулентности для течений типа пограничного слоя, и дифференциальные многопараметрические мод ти, представленные в основном, К-Є моделями. К первой группе относятся так или иначе модифицированные модели Прандтля, модель Эскудиера, гипотеза Клаузера, формула Кармана и т.п. Ко второй группе относятся К-є модели с пристенными функциями и низкорейнольдсовые модели турбулентности. К-є моделі. - относительно новый для инженерной практики метод расчета турбулентных течений, более требовательный к ресурсам вычислительной' шики.
К сожалению, существующие сегодня в мире вычислительные программные комплексы, реализующие описанные методы расчета течений и модели Tvp6yneHTHOCTH, часто либо недоступны отече твенным нсслеь, лателям вообще, либо для их применения необходима сложная и дорогостоящая вычислительная техника.
Таким of ;;азом, задачами настоящего исследования являются :
-
Разработка и создание методики моделирования трехмерно..* рабочих процессов в трактах теплообменных устро:" гв.
-
Создание математической модели развитого турбулентного течения вязкой несжимаемой жидкости в ячейке смешения системы КК.
-
Расчет гидравлических и тепловых характеристик для типичной ячей: ' смешения КК.
-
Оценка достоверности созданного метода расчета по результатам сравнения с экспериментальными данными.
Вторая глава содержит описание конечно-разностного метода контрольного объема для моделирования трехмерного турбулентного течения и теплообмена вязкой Hf кимаемоГ жидкости.
Метод позволяет решать систему уравнений движения и конвективно-диффузионного переноса обобщенной переменной Ф. В качестве переменной Ф :огут выступать температура Т, энтальпия I, концентрация С, кинетическая энергия турбулентных пульсаций К и т.п.:
SU. —1 = 0
«i .
+ S,
р J5Xj ех, ахД axj
г,
ТІ 8Ф д
1 эх, aXj
+ Sr+SP Ф
В данной реализации метода используются, как наиболее надежные, шахматные расчетные сетки (расчетные точки для скалярных величин и векторов скорости расположены в разных контрольных объемах (КО)). Для связи поля скоростей и поля давлений была реа-изована стандартная процедура SIMPLE. При получении конечно-разностных аналогов уравнений переноса использовалась степенная аппроксимация потоков искомой величины на гранях КО.
Рассмотренный метод достаточно прост и в то же время считается наиболее отработанным и надежным. Он удыно сочетает в Себе контрольно-объемный метод получения конечно-разностных аналогов дифференциальных уравнений переноса, компактны!, ліабло». и степенной закон аппроксимации для конвективных членов в уравнениях переноса, что обеспе .ивает гибкую связь конвективных и диффузионных потоков, влияющих на коэффициенты конечно-разностного уравнения. Благодаря этому метод экономичен, не требователен к машинным ресурса.. и устойчив с вычислительной точки зрения при моделировании циркуляционных -ечений с высокими числами Re, что важно при расчете компланарного течения.
Б конце второй главы приводится описание программного комплекса, его блок-схема, перечень и назначение его основных подпрограмм.
Третья глава посвящена верификации программного комплекса. Чтобы убедиться в работоспособности комплекса, правильности его отдельных частей и подпрограмм, правильности решения уравнений для каждой из зависимых переменных, заведенных в расчет - скоростей U,V,\V, поправки давления р' и обобщенной переменной Ф, производилось решение тестовых задач теплопроводности и динами* жидкости, имеющих аналити"еское или достоверное расчетное решение.
В диссертации приводятся результаты решения 7 демонстрационных и тестовых задач.
В четвертой главе приводится краткое описание экспе1 иментальиой установки и методики проведения эксперимента по исследованию компланарного течения. Эксперимент проводился совместно кафедрой Э-1 Мі і У им. НЗ.Баумана и Центральным институтом авиационного моторостроения (ЦИАМ). Подробно исследовалась структура компланарного течения при помощи оптических методов диагностики. Использовался лазерный иоплеровскни измеритель скорости (ЛДИС), позволяющий определять скорость потока, не нарушая структуры
течения. Действие установки осноеэн^ на принципе двух длин еолн. В описываемом эксперименте использовалось 2 пары лазерных лучен, лежащих во взаимно перпендикулярньїх плоскостях и пересекающихся в одном и том же объеме. Каждая из пар лучей имеет свою длину вольы и образует свою интерференционную картину. Вследствие этого возможно определение сразу двух, перпендикулярных друг другу, составляющих скорости: вдоль оси канала и поперек оси в горизонтальной плоскости. Замеры скоростей и обработка результатов измерений производились автоматически при помоши специального программно- аппаратного комплекса фирмы TSI, смонтированного на базе персональной ЭВМ и ориентированного на раооту с ЛДИС. Благодаря этому с высокой точностью измерялись средние ( до 1.5-5-2%) и пульсацнонные ( до 10%) составляющие скоростей, производит :ь их запись в ЭВМ и автоугізироваш. .я обработка результатов эксперимента.
Исследуемый компланарный тракт изображен на рис.1. Была смоделирована плоская квазибесконечная компланарная решетка с квадрг-ным сечением каналоБ 15 х 15 мм. Подробные измерения проводились в нижнем канале 5-ой ячейки смешения.
По результатам менее подр^ оных исследований течения в 4-й и 6-й ячейках смешения мо но сделать вьюод о том, что течение в 5 ' ячейке близко к установившемуся и на результаты его исследования можно ориентироваться для проверки численного моделирования полностью развитого течения в типичной ячейке смешения.
Пятая глава содерж. > описание и результаты численного моделирования течения и теплообмена в типичной ячейке смешения системы КК.
При помоши созданного программного ко:."глекса возможно полу .лть картшгу развивающеюся течения от ячейки к ячейке. Однако целью исследованш. является определение тєплоеьіх и гидравлических характеристик типичной ячейки смешения вдали от входа в компланарный тракт. Поэтому сразу производилось моделирование развитого течения, условием которого является повторяющийся профичь скоростей на входе и выходе каждого из каналов.
Для численного исследования был взат- периодический элемент эксперимекгально изученной компланарной реше...и. Чертеж и общий вид расчетной области для такой ячейки смешения представлены ча рис.2. Стрелками показано направление преобладающего течения. Расчетная область включает в себя не только пр .уточную часть, но и стенки каналов.
Моделировались динамические условия реального эксперимента: вязкость ц= 1.77-10-J Па-с, средняя по сечению канала скорость W=I 2.75 м/с-
Математическая модель течения и теплообмена в ячейке смешения образована системой уравнении движения и ' іерпш для вязкой несжимаемой жидкости:
au 5V 0W . ...
Ж + ^1ї^ . (І)
,,dV ., Ш .„511 dp OfrdV') д(гдІ) d(rdV) _ .,,
,, aw v*w ...aw pu^+pvaT+pw"az =
ар .г Г- aw) a („ aw) a fr aw) _ ...
' ax ay az axl *дх) dY{ 2dY) nz\ 2azJ K '
В качестве предварительного этапа, моделировалось развитое ламинарное течение в компланарных аналах на основе полных трехмерных уравнений Навье-Ггокса. В этом случае Г,=}і, Su=Sv=Sw=0. Уравнение энергии не решалось. При этом обрабатывалась постановка граничных условий и периодических условий на входе и выходе из каналов. В качестве начальных условий прик мались условия. прилипания на всех непроницаемых поверхностях - верх \я и нижняя грани 'асчетной области, торцевые поверхности стенок (заштрихованы на чертеже). На плоскостях рассеченнь..» стенок каналов моделировались условия симметрии. Расчетная сетка со стороны прото- ной части была сгущена к непроницаемым поверхностям, что должно обеспечивать достоверные расчетные профили скорости вблизи стенки и перепад давления по длине яччікн смешения. В xtx контрольных объемах, которые имитировали неподвижные ctuikh канала, вводилась большая вязкость (ц=1015).
Переход к расчету турбулентного течения состоит в добавлении к исходной ламинарной постановке модели турбулентности и уравнения чнерпш. Демонстрируются результаты расчетов согласно модели Прандтля с демпфирующей функі ієн Ван-Дри- а, специальным образом адаптированной для расчета трехмерных задач с преобладающим
/
направлением течения жидкости. Решаемая система уравнений
совпадает с системой (1)-(5). В этом случае Г, =ц + ц,, Г2 =-- + -^-.
Рг Рг,
Для уравнения энергии задавались граничные условия 1-го рода: Т=Ю0"С на верхней и нижней гранях расчетной области, постоянный профиль гем'ератур Т=0С на входе в каждый из каналов и условия симмегрии на остальных поверхностях расчетной области. В качестве материала стенки канала мо ?лировалась медь.
В результате решения системы уравнений (1)-(5) было получено распределение скоростей *T,V.W и температуры Т во всей расчетной области, включая с лдки. На рис.За и рис.ЗЬ і иведено распределение скорости в центре нижнего канала в вертикальной и горизонтальной плс, кости. Для сравнения точками нанесены эксперимрчтальные даннь. Видно, что расчет хорошо согласуется с экспериментом вблизи стенок канала, что должно обсспечивагь хорошее совпадение расчетного и экспериментального значений перепада давления и теплой.го потока на стенках канала. На рис.4 показаны проектуй профиля скорости U в центре ячейки смешения а плоскости XOY и XOZ соответственно. Видны особенности течения, xapaKTq)Hbie для компланарного канала в целом: образование максимума скорости на подветренной стенке канала и вблизи зоны смешения. Такое расп; "деление скорости объясняется меньшим напряжением трения в зоне смешения, чем на стенке и большой турбулентной вязкост пк> рядом с подветренной стенкой, где расположен центр вихря и максимум градиента окружной скорости во вращательном течении жі; ікости в канале. Локальный максимум продольной скорости в центре канала выражен слабее, чем в эксперт* нте.
іная распределение температур во всей расчетной области, были рассчитаны интегральные и локальные характеристики теплообмена. Средние числа Nu и St д: і всей ячейки смешения рассчитывались: Q.D X(TW-TJ
St =
F \ '«их ~ ^^l) 1 'Т* Т"
где Qw-~— [ — idS,, - средняя по площади омываемой '
SWJ АУ
поверхности плотность теплового потока ,
Tw = —J TwdSw - средняя температура омываемой стенки КК ,
'jTdV
средняя температура потока теплоносителя ,
' VJ
Ти = С - средняя температура теплоносителя і.л входе в
КК,
Твых = - I TdF_, „ - среж'чя температура теплоносителя на выходе
Рвых; Бьк
из КК, Т| - температура теплоносителя в первом
пристеночном узле,
Ду - расстояние между стенкой и первым
пристеночным узлом,
D=0,015 м - гидравлический диаметр канала, При средней скорости W. = 12,75 %" значения составили: Nu=197,
$(=0.0147, перепад давления —^ = 584 п% . На рис.5 приведена
зависимость St(Rc) для других режимов течения в сравнении с экспериментальными данными ряда авторов. В экспериментах нспытывались образца, которые имели одинаковое квадратное сечение канзлов и прямой угол их пересечения. Поперечные размеры экспериментальных каналов составляли 2..6 мм, в то время как и моделируемом тракте - 15 мм. Вследствие этого в моделируемой ячейке смешения образуется более интенсивное вихревое течение чем и объясняются большие значения чисел St по сравнению с экспериментальными данными.
Результаты расчета показывают, -что коэффициент а имеет наибольшее значение у наветренной стеноп канала, что согласуется с ранее полученными экспериментальными данными. На каждой из стенок коэффициент а достигает своего максимума в средней части стенки. 11а рис.6 представлено рассчитанное распределение локальной) коэффициента теплоотдачи а по верхней стенке канала.
