Методы математического моделирования гидродинамики и теплообмена закрученных потоков в каналах с завихрителями Митрофанова Ольга Викторовна

Содержание к диссертации

Введение 7

Глава 1. Современное состояние исследований в области изучения гидродинамики и теплообмена закрученных потоков в каналах с завихрителями 14

1.1. Введение 14

1.2. Виды завихрителей и их применение для интенсификации теплообмена 17

1.3. Физические особенности турбулентных закрученных потоков в каналах с завихрителями 26

1.3.1. Вопросы терминологии Определение понятия «закрученный поток» 26

Оценка интенсивности закрутки потока

1.3.2. Основные закономерности закрученных течений. Связь интенсивности закрутки потока с формированием поля скорости закрученного течения в канале

1.3.3. Вторичные течения 37

1.3.4. Отрыв и присоединение потока 44

1.4. Факторы, влияющие на вихревую структуру потока, гидравлическое сопротивление и теплообмен в каналах с завихрителями 53

1.4.1. Форма завихрителей 53

1.4.2. Загромождение канала 59

1.4.3. Степень турбулентности потока 63

1.4.4. Шаг расположения закручивающих элементов и угол скоса потока 67

1.4.5. Продольная кривизна 73

1.5. Современное состояние проблемы расчетного моделирования сложных турбулентных течений 77

1.5.1. Использование моделей турбулентности для расчета криволинейных и закрученных течений 77

1.5.2. Различные подходы к построению расчетных методов сложных турбулентных течений 84

1.6. Опыт разработки инженерных методов расчета для каналов сложной геометрии с закруткой потока 94

1.7. Выводы 99

Глава 2. Теоретические основы расчетного моделирования гидродинамики и теплообмена в каналах с закручивающими устройствами

2.1. Принципы расчетного моделирования

1. Постановка задачи. Вывод расчетных уравнений

2. 2.2.1. Система исходных уравнений

2.2.2. Процедура пространственного осреднения

2.2.3. Уравнения для осредненных компонент скорости и давления

2.2.4. Осреднение уравнения энергии-

2.3. Формулировка замыкающих феноменологических соотношений

2.3.1. Описание силового воздействия завихрителей на поток

2.3.2. Описание компонент тензора сопротивления

2.3.3. Моделирование эффективного переноса в каналах с завихрителями

Глава 3. Метод расчета гидродинамики и теплообмена для кольцевых каналов со спиральными завихрителями

3.1. Постановка задачи

3.2. Гидродинамический расчет кольцевых каналов с непрерывными по длине спиральными завихрителями

3.2.1. Оценка эффективной вязкости

3.2.2. Вычислительный алгоритм метода гидродинамического расчета

3.3. Расчет теплообмена в кольцевых каналах с завихрителями

3.3.1. Уравнение теплового баланса

3.3.2. Интегральные соотношения в форме интегралов Лайона для расчета теплоотдачи в кольцевых каналах с завихрителями при произвольном соотношении тепловых нагрузок

3.4. Гидротепловой расчет винтообразных каналов

3.5. Верификация расчетного метода. Сравнение результатов

расчетов и экспериментов

Выводы к главе 3

Глава 4. Метод расчета гидродинамики и теплообмена в трубах с локальными завихрителями 187

4.1. Постановка задачи. Вывод расчетных уравнений 187

4.1.1. Введение 187

4.1.2. Вывод интегральных уравнений 189

4.1.3. Описание профиля окружной скорости закрученного потока. Предварительный анализ 193

4.2. Модель трансформации вихря 199

4.2.1. Основные положения 199

4.2.2. Система расчетных уравнений 199

4.2.3. Параметрическое описание поля скорости. 201

Параметрическое описание тангенциальной компоненты скорости 201

Параметрическое описание продольной компоненты скорости

4.2.4. Оценка эффективной вязкости 207

4.3. Влияние завихрителей на теплообмен 208

4.4. Вычислительный алгоритм метода гидротеплового расчета труб с локальными завихрителями 214

4.5. Верификация метода расчета гидродинамики и теплообмена труб с локальными завихрителями. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов 218

Выводы к главе 4 229

Глава 5. Использование теории Громеки-Бельтрами для анализа условии существования макровихревои структуры внутренних закрученных течений при высоких числах Рейнольдса.

Введение 231

5.1. Перенос завихренности 232

5.2. Винтовое течение в каналах 235

5.2.1. Решение для кольцевого канала 235

5.2.2. Анализ результатов 238

5.3. Влияние интенсивности завихренности на структуру закрученных потоков в цилиндрических каналах 246

Глава 6. Повышение теплогидравлической эффективности каналов ЯЭУ при использовании закручивающих устройств 251

6.1. Способы оценки теплогидравлической эффективности каналов с закручивающими устройствами 252

6.2. Выбор критерия эффективности для решения задач повышения безопасности и эффективности работы ЯЭУ 255

6.3. Оптимизация геометрии дистанционирующих устройств в кольцевых каналах ТВС 263

Выводы к главе 6 267

Глава 7. Примеры решения оптимизационных задач на основе вычислительного эксперимента. Комплексы расчетных программ 268

7.1. Интенсификация теплообмена в парогенерирующих каналах ТВС 268

7.2. Улучшение массогабаритных характеристик авиационного теплообменника 273

7.3. Уменьшение длины технологических каналов пиролизных печей 279

7.4. Краткое описание комплексов расчетных программ 282

Заключение 285

Приложения • 289

Приложение 1. Значения коэффициентов полного сопротивления для тел различной геометрии 289

Прилоэюение 2. Вывод зависимости для определения коэффициента тензора сопротивления кщ при течении жидкости в винтообразном канале 294

Прилоэюение 3. Приведение уравнений модели трансформации вихря к конечно-разностному виду 297

Список литературы 304 

Введение к работе

Проблема интенсификации тепломассообменных процессов имеет важное значение для достижения прогресса в совершенствовании современных и создании новых энергетических и теплообменных аппаратов. Среди многообразия способов интенсификации теплообмена закрутка потоков рабочих сред является одним из наиболее простых и распространенных способов и широко используется в энергонапряженных каналах ядерно-энергетических установок (ЯЭУ), теплообменников, аппаратов авиационной и ракетно-космической техники, химической промышленности и других технических устройств. Это связано с тем, что применение закрученных потоков приводит не только к усилению тепло- и массообмена, но и выравниванию температурных неравномерностей, стабилизации течений и процессов горения, используется для тепловой защиты стенок каналов, обеспечивает эффективное и экологически чистое сжигание топлива.

В последние годы повышенный интерес вызывает многоцелевое использование закручивающих устройств: например, одновременно в качестве турбулизаторов и закручивателей пристенных слоев жидкости в каналах теплообменных трактов, или в качестве завихрителей и дистанционирующих элементов в межтвэльном пространстве тепловыделяющих сборок и т.д.. Многофункциональность закручивающих устройств делает экономически более выгодным обеспечение высокой теплоэнергетической эффективности и надежности работы ЯЭУ и другого теплоэнергетического оборудования. В связи с этим весьма перспективным является использование закручивающих устройств, в небольшой степени перекрывающих проходное сечение каналов: локальных, непрерывных или периодически расположенных завихрителей, винтового оребрения с различной формой выступов, спиральных накаток, проволочных навивок и др. Эти устройства наряду с дополнительным вихреобразованием и турбулизацией пристенной области обеспечивают глобальную циркуляцию (закрутку) потока, благоприятно влияющую на выравнивание температурных неоднородностей и усиление тепломассообменных процессов.

Актуальность решаемой задачи связана с тем, что большое разнообразие конструкций закручивающих устройств и сложная структура турбулентных потоков в каналах с завихрителями обусловили в основном экспериментальный характер проводимых исследований. Полученные при этом расчетные рекомендации носят ограниченный характер и имеют вид обобщающих эмпирических зависимостей, описывающих отдельные типы каналов, завихрителей и режимы течения. Вместе с тем для решения задач повышения эффективности, надежности и безопасности работы энергоустановок и теплообменного оборудования, а также для оптимизации их конструкций в целях снижения материалоемкости и затрат энергии на собственные нужды, необходимо располагать универсальными математическими моделями, что невозможно без разработки методов расчетно-теоретического моделирования закрученных течений в каналах с завихрителями различной геометрии.

Предлагаемая работа предусматривает создание физически обоснованных универсальных методов инженерного расчета процессов гидродинамики и теплообмена для кольцевых и трубчатых каналов с различной геометрией закручивающих устройств. Актуальность разработки таких методов обусловлена практической необходимостью сравнения влияния различных типов завихрителей на гидродинамику и теплообмен в каналах, определения оптимальной геометрии завихрителей и получения надежных количественных оценок теплоэнергетической эффективности каналов с закручивающими устройствами.

Целью диссертационной работы является разработка методов математического моделирования процессов гидродинамики и теплообмена в кольцевых каналах и трубах с завихрителями различной геометрии и обоснование возможности применения этих методов для оптимизации геометрии закручивающих устройств, предназначенных для интенсификации теплообмена, предотвращения локальных перегревов и повышения надежности и теплогидравлической эффективности различных систем контуров циркуляции теплоносителя.

Прикладная направленность работы связана с обоснованием возможности комплексного решения задач повышения безопасности и эффективности работы ядерно-энергетических установок (ЯЭУ) на основании использования закручивающих устройств в энергонапряженных каналах теплогидравлических трактов ядерных реакторов и теплообменного оборудования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложены общие принципы расчетного моделирования для различных геометрий каналов и завихрителей, заключающие в себе решение следующих проблем:

- проблемы пространственного осреднения трехмерных уравнений динамики сплошной среды для каналов сложной геометрии,

- проблемы описания эффективных коэффициентов переноса и граничных условий, что связано с переходом к новым характерным масштабам осреднения,

- проблемы формулировки феноменологических соотношении для описания силового воздействия завихрителей на поток.

2. Для физико-математического моделирования гидродинамики и теплообмена однофазных закрученных течений в трубах с локальными завихрителями предложена модель трансформации вихря. Эта модель дает возможность проследить динамику изменения полей скорости, давления и температуры в цилиндрических каналах как в области нарастающей интенсивности крупномасштабной циркуляции потока в зоне расположения завихрителей, так и в области затухания закрученного потока.

3. Для оценки теплоотдачи в кольцевых каналах с завихрителями получены новые аналитические решения в форме модифицированных интегралов Лайона. Это дает возможность расчетным путем определить среднюю величину коэффициентов теплоотдачи у выпуклой и вогнутой поверхностей канала при произвольном соотношении тепловых нагрузок, используя преимущество аналитических решений - минимальное время счета и универсальность относительно формы и области расположения завихрителей.

4. Разработаны методы математического моделирования гидродинамики и теплообмена для двух наиболее характерных типов каналов с завихрителями различной конфигурации: •

- метод расчета круглых каналов с локальными или периодически

расположенными завихрителями и

- метод расчета кольцевых каналов со спиральными вставками или оребрением.

Универсальность этих методов относительно изменения формы и области расположения завихрителей в каналах позволяет провести сравнительный анализ влияния различных устройств, генерирующих закрутку потока, на поля скоростей, давлений и температур, гидравлическое сопротивление и теплоотдачу в каналах.

5. Рассмотрена возможность применимости теории винтовых потоков для исследования вихревой структуры реальных высокоскоростных закрученных течений в случае преобладания сил инерции над силами вязкости. Получено аналитическое решение для описания винтового течения (потока Громеки-Бельтрами) в полубесконечном кольцевом канале. Проведено расчетное исследование влияния интенсивности завихренности потока и геометрических параметров каналов, образованных цилиндрическими поверхностями, на вихревую структуру закрученных течений.

6. Разработаны комплексы расчетных программ «VORTEX» и «CIRCAN», позволяющие на основе проведения вычислительных экспериментов получить рекомендации по выбору оптимальной геометрии каналов и завихрителей, что снижает объем дорогостоящих физических экспериментов.

7. Предложен метод оценки эффективности использования закручивающих устройств в энергонапряженных каналах активных зон ядерных реакторов со сложным законом тепловьщеления, что дает возможность оптимизировать геометрию каналов с целью повышения их теплотехнического запаса.

8. Решен ряд оптимизационных задач, в которых максимальный эффект интенсификации теплообмена достигается за счет оптимизации геометрии завихрителей.

Достоверность научных положений, результатов и выводов обеспечена их внутренней согласованностью и непротиворечивостью, соответствием твердо установленным теоретическим и экспериментальным фактам/

Практическая значимость работы заключается в создании и верификации универсальных методов расчета процессов гидродинамики и теплообмена, необходимых для проведения различных инженерных расчетов турбулентных закрученных течений в энергонапряженных каналах сложной геометрии.

Результаты работы предназначены для создания высокоэффективных, надежных, экономичных и безопасных теплообменных и энергетических установок, применяемых в ядерной энергетике, а также в авиационной и ракетно-космической технике, химической и других отраслях промышленности.

В качестве примеров решения прикладных задач в диссертационной работе рассмотрено применение разработанных методов и программ для оптимизации геометрии парогенерирующих каналов ЯЭУ, каналов пиролизных печей, уменьшения массогабаритных характеристик авиационных теплообменников. Результаты расчетов положены в основу технологии организации направленных газовых потоков в многопрофильной теплообменной аппаратуре химической промышленности (а именно, в утилизаторе тепла нитрозных газов, подогревателе хвостовых нитрозных газов и расширительной колонне при проведении пусконаладочных и ремонтных работ).

Практическая ценность выполненной работы подтверждается актами о внедрении:

- в Руководящий Документ по стандартизации РД 24.035.05-89 -«Тепловой и гидравлический расчет теплообменного оборудования АЭС» (НПОЦКТИ);

в практику проведения расчетно-экспериментальных работ в обоснование работоспособности модернизированных конструкций ТВС ВВЭР - 440 и РБМК - 1000;

в научно-исследовательские разработки РНЦ «Курчатовский институт» (ф} по обоснованию способов интенсификации теплоотдачи в тепловыделяющих каналах.

Автор защищает: методологию расчетного моделирования сложных турбулентных закрученных течений в каналах с закручивающими устройствами, заключающую в себе использование феноменологического подхода и разработку принципов построения физико-математических моделей сложных течений, в основе которых лежит выявление общих закономерностей и особенностей рассматриваемых физических явлений; общую концепцию построения математических моделей, основанную на применении процедуры пространственного осреднения уравнений динамики сплошной среды; модель трансформации вихря и основанный на ее применении интегрально-параметрический метод Гидротеплового расчета труб с локальными завихрителями произвольной геометрии; аналитические решения в виде модифицированных интегралов Лайона, полученные . для оценки теплоотдачи на выпуклой и вогнутой поверхностях кольцевого канала со спиральными завихрителями; метод расчета гидродинамики и теплообмена в кольцевых каналах со спиральными завихрителями произвольной геометрии; аналитическое решение для описания винтового течения в полубесконечном кольцевом канале с произвольным соотношением радиусов и возможность использования теории Громеки-Бельтрами для анализа условий существования макровихревой структуры внутренних закрученыых течений при высоких числах Рейнольдса;выбор целевой функции и критерия эффективности для решения задач повышения безопасности и эффективности работы ЯЭУ при использовании закручивающих устройств; комплексы расчетных программ, разработанных на основе предложенных методов расчета с применением теории численных методов и оптимизации схем итерационнной сходимости решений (язык программирования - ФОРТРАН); способы решения оптимизационных задач на основе проведения вычислительных экспериментов; способ повышения тепловой мощности и надежности работы ТВС ЯЭУ за счет снижения температурных неравномерностей в твэлах при использовании закручивающих устройств оптимальной геометрии. Работы в данной области были поддержаны грантом РФФИ № 01-02 17054 в области теплофизики и теплоэнергетики, тремя грантами Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям в области авиационной и ракетно-космической техники, и грантом Минобразования РФ ТОО-1.2-1252 в области теплоэнергетики. Личный вклад автора. В основу диссертации легли результаты исследований, выполненных автором на кафедре Теплофизики Московского инженерно-физического института (государственного университета). Постановка теоретических задач и способов их решения, а также анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований осуществлялись при непосредственном участии автора. Разработка принципов расчетного моделирования, методов расчета и их верификация, получение аналитических и численных решений, а также разработка комплексов расчетных программ осуществлялись лично автором.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 2-ом и 3-ем Минском международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, 1992, 1996), на 1-ой и 2-ой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994, 1998), на 2-ой международной научно-технической, конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Москва, 1994 г.), на 10-ой и 11-ой международных конференциях по теплообмену (Брайтон, Великобритания 1994 г. и Кунджу, Южная Корея 1998 г.), на 2-ой Европейской конференции по теплофизике и 14-ой Итальянской национальной конференции по теплообмену (Италия, Рим, 1996 г.), на 4-ой Всемирной конференции по экспериментальным методам теплообмена, механики жидкости и термодинамики (World Conference on

Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics ExHFT 4 , Брюссель, Бельгия. 1997 г.), на Международной конференции по перспективному использованию теплообменников (Лиссабон, Португалия, 1998 г.), на 4-й Минском Международном Форуме по тепло- и массообмену (Минск, май 2000 г.), на 3-ей Европейской конференции по теплофизике (Гейдельберг, Германия, сентябрь 2000 г.), на Всероссийской конференции «Закрутка потока для повышения эффективности теплообменников» (Москва, апрель 2002 г.), на научных сессиях МИФИ (1998, 1999, 2000, 2001 и 2002 г.г.), на межотраслевых научных конференциях ФЭИ «Теплофизика» (1988, 1994, 2000 г.г.), на научном семинаре «Проблемы ядерных реакторов» в 1999 г. (РНЦ КИ, руков. академик Н.С. Хлопкин), на научном семинаре «Парадоксы и нерешенные задачи гидродинамики и тепломассообмена» в 1999 г. (ИВТ РАН, руков. академик А.И. Леонтьев).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 43 печатных работы, из них 1 патент на изобретение и 7 докладов в иностранных издательствах в трудах международных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, приложений и списка литературы. Она изложена на 321 странице машинописного текста и снабжена по тексту 83 иллюстрациями и 7 таблицами. Список литературы содержит 269 наименований.