Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в ракетно-космической и авиационной технике, теплоэнергетике, химической и пищевой промышленности и других областях все большее значение приобретают задачи, связанные с особенностями конвективного теплообмена в закрытых емкостях. Решение подобного рода задач базируется на применении общих математических моделей, основанных на уравнениях Навье-Стокса.
Важную роль в задачах конвекции играют физические свойства веществ, геометрия и особенности граничных условий. Это приводит к многопараметрическому характеру критериальной зависимости искомых характеристик конвективного тепло- и массообмена. Следует отметить, что для практических приложений представляет интерес определение не только традиционных характеристик - средних и местных потоков тепла, необходимых для обеспечения теплового режима элементов конструкций, но и более тонких характеристик таких, как температурное расслоение, а также структура конвекции, приводящих к неоднородностям температурных и концентрационных полей.
Для многих приложений сегодня требуется все более точный расчет характеристик рабочих процессов при поиске оптимальных конструкторских и технологических решений, направленных на повышение надежности, снижение металлоемкости, энергоемкости конструкций и затрат на их обработку. Наряду с непрерывным ростом производительности ЭВМ и совершенствованием численных методов это создает объективные предпосылки для дальнейшего развития численного моделирования на основе уравнений Навье-Стокса. Ввиду специфической нелинейности этих уравнений, наличия малого параметра при старшей производной в сочетании с пространственным характером движения и нестационарностью, наиболее рационально их изучение с помощью численных методов.
Таким образом, задача исследования конвективных процессов, происходящих в сферической области, при неравномерно распределенном внешнем тепловом потоке на границе, а также при наличии стока содержимого емкости является актуальной. Существуют различные способы исследования подобных процессов. Но численные методы с реализацией на компьютерных системах являются наиболее экономичными и достаточно точными.
Диссертация выполнялась в рамках научного направления «Физико-технические проблемы энергетики и экологии», темы ГБ.04.І2 (№ гос. per. 01.2.00409970) ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование нестационарного конвективного тепломассопереноса в закрытой сферической емкости с криогенной жидкостью при различных способах подвода теплоты, при переменной высоте уровня жидкости.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
Описание конвективных тепломассообменных процессов, протекающих в сферическом баке с криогенной жидкостью при неравномерно распределенном тепловом потоке в поле силы тяжести с учетом стока жидкости методами моделирования.
-
Разработка приближенного метода решения задачи по определению полей температур и скоростей в сферической емкости, температуры в оболочке.
3. Идентификация внешнего теплового потока, необходимого для поддержания требуемого теплового режима на внутренней поверхности оболочки емкости исследования временных и геометрических изменений теплового потока.
4. Разработка методики вычислительного эксперимента с последующим проведением численного решения и анализом полученных результатов при помощи графической модели изучаемых процессов.
Методы исследований. Теоретические и практические разработки, представленные в диссертации, базируются на применении методов математической физики, теории разностных схем, теории гидромеханических, тепло- и массообменных процессов, теории систем и моделирования, вычислительной гидродинамики, а также высокоуровневые методы программирования.
Научная новизна:
-
Предложена математическая модель, описывающая физические процессы тепломассопереноса в сосудах с криогенной жидкостью, отличающаяся учетом неравномерно распределенного внешнего теплового потока, а также возможного стока жидкости.
-
Разработан приближенный метод расчета полей температур и скоростей, отличающийся возможностью учета особенностей конвективных течений в зависимости от направления внешнего теплового потока.
-
Предложена методика численного решения задачи определения внешнего теплового потока, необходимого для поддержания требуемого теплового режима на внутренней поверхности оболочки емкости, отличающаяся учетом термогидродинамических процессов, протекающих внутри емкости, а также учитывающая изменение высоты уровня жидкости.
-
Получена структура гидродинамических и температурных полей свободноконвективных течений в сферических объемах при различных тепловых нагрузках и теплофизических характеристиках жидкостей и газов, позволяющая определить условия хранения криогенных жидкостей. Также идентифицирована величина внешнего теплового воздействия на сферический сосуд, необходимая для поддержания требуемого теплового режима внутри емкости.
Практическая значимость работы. Предложены алгоритмы расчетов процессов тепло - и массообмена в сферическом сосуде с криогенной жидкостью и теплопереноса в оболочке при неравномерно распределенном
внешнем тепловом потоке и изменяющейся высоте уровня жидкости, позволяющие сформулировать рекомендации по эксплуатации авиационных баков, содержащих криогенное топливо. Предложены алгоритмы определения величины внешнего теплового потока, необходимого для поддержания требуемого теплового режима внутри емкости.
Разработанные автором методы расчета и рекомендации используются в практике Воронежской генерирующей компании и курсах «Теплотехника» ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет». Акты о внедрении содержатся в приложении к диссертации.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на VII, VIII и XIX Всероссийских с международным участием научно-технических конференциях "Авиакосмические технологии" (Воронеж, 2006, 2007, 2008), XV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Калуга, 2005).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 2 - в издании, рекомендованном ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежат следующие результаты: [1, 2, 3,10, 14] - разработка численной модели конвективного теплообмена; [4, 8, 9, 13] - разработка математической модели свободной конвекции в цилиндрических координатах; [11, 12] - алгоритмы численного решения; [10, 14, 7] - анализ и обобщение результатов численного эксперимента.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 118 наименований . Основная часть работы изложена на 130 страницах, содержит 39 рисунков, 1 таблицу и 2 приложения.
