Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор высокотемпературных теплообменных аппаратов и течений в каналах со вдувом 14
1.1. Технические требования к высокотемпературным теплообменным аппаратам 14
1.2. Труба Фильда 15
1.3. Применение теплообменных аппаратов на основе трубы Фильда 16
1.4. Предложения по улучшению теплогидравлических характеристик трубы Фильда 21
1.5. Анализ выбранного способа повышения тепловой эффективности теплообменного аппарата на основе трубы Фильда 25
1.5.1. Гидродинамика ламинарного течения в круглых трубах со вдувом и отсосом 27
1.5.2. Теплообмен в круглых трубах со вдувом и отсосом при ламинарном течении жидкости 30
1.5.3. Турбулентное течение и теплообмен в трубах с проницаемыми стенками 30
2. Исследование турбулентного течения в канале с равномерным вдувом 36
2.1. Описание экспериментальной установки 36
2.2. Методические эксперименты 47
2.3. Методика проведения и обработки эксперимента 51
2.3.1. Методика обработки эксперимента 52
2.4. Результаты экспериментов 58
3. Численный эксперимент в пакете CFD star-CD 63
3.1. Постановка задачи исследования 63
3.2. Уравнения для средних величин и модели турбулентности 64
3.3. Приведение исходной системы уравнений к обобщенному виду 65
3.4. Граничные условия и теплофизические свойства моделируемой среды 66
3.5. Используемые разностные схемы 70
3.6. Влияние шероховатости пористой стенки 72
3.7. Влияние турбулентного числа Прандтля 72
4. Расчет теплообменного аппарата на основе трубы фильда 78
4.1. Обзор различных расчетных методик 78
4.1.1. Первая методика 78
4.1.2. Вторая методика 83
4.1.3. Третья методика 86
4.2. Результаты расчетов 89
4.3. Модификация методики для расчета с пористой стенкой 94
4.4. Результаты расчетов и их анализ 96
5. Оптимизирование параметров згту с втгр из условия максимальной экономичности при минимальной суммарной поверхности теплообмена та (регенератора, концевого и промежуточного охладителя) 101
Выводы 112
Заключение 114
Список литературы 115
Приложение 127
- Анализ выбранного способа повышения тепловой эффективности теплообменного аппарата на основе трубы Фильда
- Турбулентное течение и теплообмен в трубах с проницаемыми стенками
- Граничные условия и теплофизические свойства моделируемой среды
- Модификация методики для расчета с пористой стенкой
Введение к работе
Проблема надежности и долговечности теплообменных аппаратов, работающих при высоких значениях температуры (800 ч- 1300 К) возникает в связи с разработкой и эксплуатацией многих энергетических установок. В качестве примера можно привести газотурбинную электростанцию, использующую в качестве топлива уголь. Эта проблема имеет такое же важное значение для оборудования, разрабатываемого для высокотемпературного газоохлаждаемого ядерного реактора (ВТГР).
Главная идея по сжиганию твердого топлива была связана с применением высокотемпературного теплообменного аппарата для подогрева газа в газотурбинной установке. Основная проблема при использовании данной установки состоит в надежности и долговечности теплообменного аппарата, работающего при высокой температуре [1, 2, 3, 4, 5], где температура достигает 1500 К.
В настоящее время возрос интерес к газотурбинным энергетическим установкам для новых типов атомных электростанций (АЭС). Рассматриваются проекты с замкнутыми газотурбинными установками. Одним из общепризнанных вариантов возможного понижения стоимости выработки электроэнергии и повышения безопасности АЭС является применение высокотемпературного газоохлаждаемого реактора, использующего в качестве рабочей среды гелий, обладающего целым рядом достоинств по сравнению с традиционным водно-водяным энергетическим реактором (ВВЭР) [6]. Высокие значения температур в реакторе (1200-г 1400 К) и регенераторе теплоты уходящих газов (800 ч- 900 К) накладывают жесткие требования к теплообменному оборудованию на АЭС такого типа, что определяется прежде всего безопасностью атомной станции. Это впрямую определяет конкурентоспособность АЭС по сравнению с другими типами электростанций и их дальнейшее развитие.
Цель работы:
1) Анализ технических требований, предъявляемых к
высокотемпературным теплообменным аппаратам и выбор соответствующего
типа теплообменного аппарата.
Анализ способов повышения тепловой эффективности теплообменного аппарата на основе трубы Фильда и выбор исследуемого способа.
Теоретическое и экспериментальное исследование выбранного метода повышения тепловой эффективности и выполнение расчетов теплообменного аппарата на основе трубы Фильда.
Научная новизна работы заключается в следующем: Впервые проанализирована основная проблема, возникающая при разработке и эксплуатации высокотемпературных теплообменных аппаратов - обеспечение требуемого большого ресурса и надежности, проведено подробное теоретическое и экспериментальное исследование турбулентного стабилизированного течения в канале с односторонним вдувом. Впервые разработана методика на основе одномерных уравнений конвективного теплообмена для расчета теплообменного аппарата типа трубы Фильда с внутренней пористой трубой. На основе разработанной автором методики впервые исследован теплообменный аппарат на основе трубы Фильда с пористой внутренней трубой, позволивший увеличить эффективность теплообменного аппарата на 15-20 %.
Практическая значимость. Полученные в диссертации результаты имеют прямое практическое значение, так как предложенная конструкция теплообменного аппарата позволяет полностью компенсировать температурные деформации, при сохранении достаточно высокой тепловой эффективности теплообменного аппарата.
Достоверность результатов теоретического исследования обеспечивалась использованием пакета вычислительной гидродинамики Star-CD, который сертифицирован по ISO9001. Достоверность экспериментальных исследований
обеспечивалась применением современных средств измерений (датчиков, систем обработки информации) с широким применением ЭВМ, а также лицензионной программы обработке измерений Labview 6.1. Автором была проведена оценка погрешности для полученных экспериментальных данных, которая приведена в приложении.
На защиту выносятся результаты численного и экспериментального исследования прямоугольного канала с односторонним одномерным вдувом, а также методика расчета теплообменного аппарата типа трубы Фильда с внутренней пористой трубой. Также представлены результаты расчетов такого теплообменного аппарата с применением этой методики.
Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения.
В первой главе проводится анализ требований к высокотемпературным теплообменным аппаратам и приведены конструктивные особенности теплообменного аппарата на основе трубы Фильда.
В первой части главы выполнен патентно-информационный поиск по методам и способам конструктивной доработки и модификации для улучшения тепловой эффективности теплообменников на базе трубы Фильда. На основе патентно-информацинного поиска выполнен анализ, позволивший выбрать возможный метод улучшения теплогидравлических характеристик теплообменного аппарата на основе трубы Фильда и сформулировать задачи исследования.
Во второй части подробно проанализированы работы, посвященные исследованию гидродинамики и теплообмена в каналах со вдувом и отсосом.
Многие авторы [7 ч- 33] рассматривали лишь ламинарное течение в кольцевых каналах и трубах с односторонним и двусторонним вдувом, тогда как в большинстве случаев, представляющих практических интерес, течение в кольцевых каналах и трубах турбулентное. Такому течению посвящено гораздо меньше работ и оно изучено недостаточно. Анализ работ, рассматривающих течение в пористых материалах, позволил выбрать расчетную модель (модель
локального температурного равновесия [34]).
Вторая глава содержит описание задачи численного моделирования течения в экспериментальном канале с применением пакета инженерного анализа1 Star-CD фирмы Computation Dynamics, Ltd. Уделено внимание постановке математической задачи, граничным условиям и представлены результаты численных расчетов гидродинамики и теплообмена канала с равномерным вдувом на одной из стенок и другой нагреваемой стенкой. Такие пакеты прикладных программ представляют большой практический интерес при решении инженерных задач.
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию течения в кольцевом канале теплообменного аппарата на основе трубы Фильда с равномерным вдувом через внутреннюю трубу.
Полученные экспериментальные результаты подтвердили зависимости для коэффициента теплоотдачи и коэффициента трения в канале с равномерным вдувом на одной из стенок и другой нагреваемой стенкой, полученные при численном моделировании.
Четвертая глава имеет прикладной характер, в ней результаты
теоретического и экспериментального анализа применяются к расчетам
теплообменного аппарата на основе трубы Фильда с пористой внутренней
трубой. В данной главе дан обзор методов расчета теплообменного аппарата на
базе трубы Фильда. На основе анализа нескольких методов расчета был выбран
метод численного решения системы одномерных дифференциальных
уравнений, описывающих конвективный теплообмен в теплообменном
аппарате на основе трубы Фильда.
Проведены расчеты теплообменного аппарата с внутренней трубой из материалов с различной теплопроводностью. Анализ этих данных позволил обосновать применение внутренней стенки из материала с постоянной пористостью по длине теплообменного аппарата.
1 В названии на английском языке такие программы носят аббревиатуру Computer Aided Engineering (САЕ).
Проведены несколько вариантов расчета с внутренней пористой трубой из материалов с разной пористостью, с постоянной пористостью по длине теплообменного аппарата. Полученные расчеты послужили основанием для применения данного метода улучшения тепловых характеристик теплообменного аппарата на основе трубы Фильда.
По результатам выполненных исследований опубликовано 17 работ [І-г-5, 35ч-46], сделаны доклады на XLVII научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Пермь, 25-28 сентября 2000 г.); XI Всероссийской Межвузовской научно-технической конференции "Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели" (Москва, 15-17 ноября 2000 г.); XLVIII научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Рыбинск, 25-26 сентября 2001 г.); Восьмой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 28 февраля-1 марта 2002 г.); XLIX научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Москва, 10-12 сентября 2002 г.); X школе-семинаре "Современные проблемы аэродинамики" под руководством академика РАН Г.Г. Черного (5-15 сентября 2002, г. Сочи, "Буревестник"); третьей Всероссийской конференции по тепломассообмену (21-25 октября 2002 г., Москва); XI школе-семинаре "Современные проблемы аэродинамики" под руководством академика РАН Г.Г. Черного (5-15 сентября 2003, г. Сочи, "Буревестник"); XIV школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (26-30 мая 2003 г., г. Рыбинск, Россия); международной конференции "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность" (2004 г); Ломоносовских чтениях (19-28 апреля 2004, Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова); Четвертой Международной школе-семинаре "Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем". (28 июня -03 июля 2004г., Санкт-Петербург, Россия); XII школе-семинаре "Современные проблемы аэродинамики" под руководством академика РАН Г.Г. Черного (5-15 сентября 2004, г. Сочи, "Буревестник"); XII межвузовской научно-технической
конференции "Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели", посвященная 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, 55-летию кафедры Э-3 (Москва, 24-26 ноября 2004 г); конференции-конкурса молодых ученых. (Москва, 12 октября - 14 октября 2004 г, МГУ им. М.В. Ломоносова; XV школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Калуга, 2005 г.), а также на заседаниях и научно-технических семинарах кафедры ЭЗ МГТУ им. Н.Э. Баумана 2000-2005 гг.
За данный цикл работ автор работы награжден дипломом по итогам открытого конкурса 2001 года на лучшую научную студенческую работу по естественным, техническим и гуманитарным наукам в Вузах Российской Федерации, Свидетельством кафедры-сети ЮНЕСКО/МЦОС в 2002 году, а также премией РАО ЕС "Новая генерация" в 2005 году.
Экспериментальная часть работы выполнена в лаборатории 108 Института Механики МГУ им. М.В. Ломоносова в рамках совместного договора о сотрудничестве между МГТУ им. Н.Э. Баумана и МГУ им. М.В. Ломоносова. Все экспериментальные работы ставились с участием в.н.с, к.т.н. Виноградова Ю.А., с.н.с. Стронгина М.М., с.н.с. Здитовца А.Г. При постановках эксперимента и обсуждении результатов принимал участие академик РАН, профессор Леонтьев А.И.
Анализ выбранного способа повышения тепловой эффективности теплообменного аппарата на основе трубы Фильда
С целью снижения "паразитной" теплопередачи [53] в теплообменном аппарате рассматриваемого типа предлагается осуществить тепловую изоляцию внутренней трубы путем вдува части теплоносителя. Этот принцип можно реализовать, изготовив внутреннюю трубу из проницаемого материала.
Гидродинамика и тепломассообмен в рассматриваемом варианте конструкции трубы Фильда характеризуется следующими особенностями.
Тепловой поток от более нагретого теплоносителя, протекающего в пространстве между трубами Фильда, передается конвекцией, а в ряде случаев и излучением, наружной поверхности внешней трубы. Затем теплопроводностью этот тепловой поток передается на внутреннюю поверхность внешней трубы и далее конвективно передается менее нагретому вторичному теплоносителю, протекающему в кольцевом пространстве трубы Фильда. Часть этого теплового потока конвективно передается менее нагретой наружной поверхности внутренней трубы Фильда, что обуславливает "паразитную теплопередачу". Уменьшению паразитного теплового потока способствует вдув, осуществляемый через внутреннюю трубу.
Наиболее сложной гидродинамической структурой и условиями теплообмена характеризуется течение в кольцевом зазоре между сплошной внешней и проницаемой внутренней трубами. Здесь потоки тепла и массы имеют противоположные направления. На начальном участке тепловой и динамический пограничные слои вблизи внутренней поверхности внешней трубы подвергаются воздействию существенной неизотермичности. Вблизи внешней поверхности внутренней трубы тепловой пограничный слой отсутствует, а на динамический пограничный слой оказывает влияние наличие вдува. В области гидродинамической и тепловой стабилизации воздействие неизотермичности и вдува распространяется по всей толщине кольцевого канала. Однако необходимо отметить следующее: в большинстве случаев относительная длина канала матрицы трубчатого теплообменного аппарата существенно превышает 50 калибров, что не требует рассмотрения начального участка.
Особого рассмотрения заслуживают проблемы гидродинамики и теплообмена в концевой зоне трубы, где теплоноситель из внутренней трубы попадает в кольцевое пространство с поворотом на 180 градусов, т.е. влияние инерционных сил на гидродинамику и теплообмен становится существенным. Эта зона, по данным работы [61], обычно не протяженна LK/dr= 3...4, поэтому ее влияние на интегральные характеристики теплообменного аппарата несущественно. Таким образом, задача расчета теплообменного аппарата рассматриваемого типа сводится к совместному решению следующих задач. 1) Расчет гидродинамики и теплообмена при обтекании трубного пучка первичным теплоносителем с внешней стороны. 2) Расчет теплопередачи через наружную трубу путем решения уравнения теплопроводности. 3) Расчет гидродинамики и теплообмена в кольцевом канале при наличии вдува и неизотермичности. 4) Расчет теплопередачи через проницаемую внутреннюю трубу при наличии эффекта пористого охлаждения (тепловая защита). 5) Расчет гидродинамики и теплообмена во внутренней трубе при наличии отсоса массы через ее поверхность. Первые две задачи хорошо известны в теории теплообменных аппаратов. Для их решения используются традиционные подходы, изложенные в работах [62, 63]. Решение двух последних задач также можно найти в литературе [34, 64, 65].
Третья задача является специфичной для теплообменников рассматриваемого типа. Имеющихся в литературе данных [7, 8] для ее решения явно не достаточно. В связи этим дальнейшие экспериментальные, расчетные и теоретические исследования в рамках данной диссертации будут посвящены проблемам гидродинамики и теплообмена в межтрубном кольцевом зазоре при вдуве теплоносителя через внутреннюю трубу и подведения тепла к наружной трубе.
Для обоснования и разработки метода расчета теплообменного аппарата рассматриваемого типа следует проанализировать ряд наиболее характерных работ, посвященных изучению гидродинамики и теплообмена в трубах при наличии вдува и отсоса через стенку трубы. Обобщение большого количества теоретических и экспериментальных исследований течения в трубах с проницаемыми стенками выполнено в монографии [66].
Полностью развитое стационарное осесимметричное ламинарное течение в кольцевых каналах и трубах рассмотрено в работах [7 -г 13]. Для обобщения результатов вводится следующий параметр - число Рейнольдса стенки, определяемого по формуле:
Течения в трубах и каналах с притоком массы характеризуются значительным отрицательным градиентом давления, обусловленного ускорением потока. К тому же при наличии одностороннего вдува также появляется асимметрия профиля скорости. Автором данной работы было рассчитано течение в кольцевом канале с односторонним притоком массы. Расчет был проведен конечно-разностным методом контрольного объема с использованием программы TEAM, модифицированной автором данной работы, (Б. Лаундер и др.) [36 - 38]. Результаты представлены нарис. 1.11.
Это же подтверждается другими работами, например [14]. В этой работе показано, что для случая параболического профиля скорости при входе в трубу при -1 ReCT 2,41 течение за областью входного участка становится развитым, а профили скорости автомодельными. В диапазоне 2,41 ReCT 7,63 автомодельные решения отсутствуют. Значение ReCT= 2,41 соответствует нулевому значению касательного напряжения на поверхности трубы в сечении, где весь поток отсасывается через пористые стенки. При ReCT 2,41 происходит отрыв течения от стенки и существует область обратных токов, обусловленная наличием положительного градиента давления. В [15] конечно-разностным методом для случаев постоянного отсоса и перетока массы по закону Дарси при однородном и параболическом профилях скорости при входе получены результаты, согласующиеся с решением [14]. Численное интегрирование полной системы уравнений для осесимметричного течения [16] также подтверждает сделанные выводы [14].
Турбулентное течение и теплообмен в трубах с проницаемыми стенками
Изучению турбулентных течений в трубах со вдувом и отсосом посвящено значительно меньше работ по сравнению с исследованием турбулентных пограничных слоев на проницаемых поверхностях.
В работе [35] была рассчитана гидродинамика в круглом кольцевом канале с использованием пакета TEAM, модифицированного автором данной работы, и к — модели турбулентности. В результате установлено, что турбулентные течения в трубах с притоком жидкости также характеризуются наличием значительного отрицательного градиента давления, обусловленного ускорением потока, что оказывает существенное влияние не только на осредненные, но и на пульсационные характеристики движения.
Методика расчета турбулентного течения в длинных трубах с проницаемыми стенками в рамках модели турбулентности для пути смешения Прандтля, позволяющая получить простые аналитические зависимости для ряда параметров потока, изложена в работах [67, 68].
Наиболее сложным вопросом, связанным с гидродинамикой турбулентных потоков, является анализ воздействия вдува и отсоса на механизм и интенсивность турбулентного переноса. Для учета влияния поперечной составляющей скорости движения на механизм турбулентного переноса при развитом течении в трубах с отсосом предложены различные модификации модели демпфирования возмущений Ван-Дриста [69 -ь 70].
Из модели, разработанной в [70], следует, что длина пути смешения и, следовательно, интенсивность турбулентного переноса увеличиваются при отсосе, а в [69, 71] по аналогии с внешними течениями, напротив, уменьшаются при отсосе и возрастают при вдуве. В работах [72, 73] для расчета гидродинамически стабилизированного течения в тубах с отсосом и вдувом привлекается дополнительно уравнение турбулентной энергии, что позволяет более последовательно отразить влияние конвекции на характеристики пульсационного движения.
Экспериментальному исследованию гидродинамики на начальном участке трубы с отсосом через пористые и перфорированные стенки посвящен ряд работ [74 -ь 78]. В [74, 75, 76] получено, что при малых скоростях отсоса профили осевой скорости становятся более пологими, а степень турбулентности понижается, особенно в пристенной области. Следовательно, как и для внешних потоков, слабый отсос приводит к ламинаризации течения. В отличие от этого в [77] экспериментально установлено, что под действием сильного отсоса профили скорости вытягиваются у оси, а степень турбулентности существенно возрастает. Эти противоположные эффекты были частично воспроизведены в работе [74], где показано, что в зависимости от интенсивности и длины участка отсоса, возможно как увеличение, так и уменьшение уровня турбулентности в приосевой зоне. Изменение характера влияния отсоса на степень турбулентности связано, по мнению авторов [74], с явлением конвективного переноса пульсаций в осевом направлении. Наиболее полная информация о пульсационных характеристиках течения в начальном участке пористой трубы с отсосом представлена в [78], где приведены результаты измерения вторых и третьих моментов пульсаций скорости, а также распределения отдельных членов в уравнении баланса турбулентной энергии. Однако, результаты расчетов и экспериментов работы [79] свидетельствуют, что при всех интенсивностях отсоса отсутствует явление вытягивания профиля скорости вблизи оси, профиль скорости остается близким к равномерному во всей области течения вплоть до сечения полного оттока массы.
Влияние слабого двухстороннего отсоса на течение в плоском канале качественно такое же, как и в круглой трубе. Однако, при сильном отсосе наблюдается довольно существенное различие между гидродинамическими характеристиками в круглом и плоском каналах. Так, в плоском канале при всех интенсивностях отсоса происходит выполаживание профиля скорости вниз по потоку. При сильном отсосе имеет место значительная турбулизация потока, хотя и несколько меньшая, чем в круглой трубе вследствие меньшего градиента скорости и, следовательно, порождения турбулентности в центральной части канала.
Наиболее подробное экспериментальное исследование осредненных характеристик турбулентного течения в круглой трубе с равномерным по длине вдувом при развитом турбулентном потоке на входе выполнено в работе [80]. В результате было показано, что за входным участком имеет место подобие профилей скорости и других параметров течения, т.е. на некотором расстоянии от входного сечения устанавливается квазистабилизированное течение. Влияние вдува на структуру турбулентного потока в переходной области при низких значениях числа Рейнольдса на входе исследовалось в [81]. Течение в круглых трубах при нулевой скорости основного потока на входе, когда движение организуется за счет вдуваемой через проницаемые стенки жидкости, рассматривается в работах [80, 82, 83]. Экспериментальные исследования турбулентного потока в кольцевых каналах с односторонним и двухсторонним вдувом при развитом течении проведены в работах [7, 84].
Расчеты переходных режимов течения на начальном участке плоской и круглой труб при наличии вдува выполнены в [85] на основе двухпараметрических моделей турбулентности. Аналогичная модель используется в работе [86] для расчета течения в трубе с заглушённым передним торцем. Расчет турбулентного пограничного слоя в начальном участке трубы с однородным профилем скорости на входе и с заглушённым передним торцем изложены в [83, 87, 88]. В [89] на основе трехпараметрической модели турбулентности проведен расчет развития течения по длине круглой трубы при относительно высоких числах Рейнольдса основного потока на входе для условий, близких к реализуемым в экспериментах [80]. В результате получено, что в соответствии с опытными данными [80] на некотором расстоянии от входа устанавливается квазиразвитое течение, когда параметры потока в каждом сечении трубы соответствуют местному значению интенсивности вдува и практически не зависят от характеристик течения вверх по потоку.
Граничные условия и теплофизические свойства моделируемой среды
Внутреннее межтрубное пространство теплообменного аппарата на базе трубы Фильда является, как уже отмечалось, наиболее сложным с позиции гидродинамики и теплообмена и наиболее важным с точки зрения эффективности теплообменного аппарата в целом. Объектом численного исследования послужил экспериментальный прямоугольный канал одна стенка которого нагревается, а через противоположную осуществляется секционный вдув по заданному закону через шесть камер вдува.
В данной работе использовался дифференциальный конечно-разностный метод контрольного объема, позволяющий обеспечить более высокий уровень моделирования течения и теплообмена, по сравнению с разработанным ранее для той же цели интегральным методом расчета [97].
Таким образом, следовало рассчитать распределения скорости, давления и температуры в двумерной области, имеющей форму прямоугольного параллелепипеда, через верхнюю стенку которого осуществляется вдув, нижняя же стенка нагревается, а через оставшиеся две боковые поверхности осуществляется подвод и отвод основного теплоносителя. Заданы геометрические размеры канала 200 х 9 х (600 + 600) мм. (Перед участком вдува экспериментальная установка имеет предвключенный участок без вдува длиной 600 мм, где осуществляется только нагрев). Заданы параметры во входном сечении: постоянные профили скорости, температуры, давления. Вдоль нагреваемой стенки задана ее температура (граничные условия первого рода), вдоль противоположной стенки задан вдув по определенному закону. В качестве пакета для инженерного анализа использовался пакет численного анализа Star-CD.
Наиболее сложным вопросом при проведении численного моделирования является вопрос о применении модели турбулентности. Результаты работы [89] показали совпадения с экспериментальными исследованиями работы [90]. Однако противоречивые результаты работ [74ч-77], как считает автор, оставляет вопрос открытым. Тем более, что для развитого течения в трубе [91, 92] рассматриваются только расчетные исследования без верификации экспериментальными данными.
Обширное тестирование моделей турбулентности, выполненное в работе [114], косвенно подтверждает возможность применения k-8 модели. Это определяется тем, что модель к-8 плохо работает при положительном градиенте давления, однако в нашем случае имеет место быть отрицательный градиент давления и ускорение потока вблизи непроницаемой стенке.
Поэтому автором расчет производился с к-8 двухпараметрической моделью турбулентности с последующей верификацией полученных результатов численного расчета собственными экспериментальными данными. Согласно этой модели напряжения Рейнольдса определяются на основе турбулентной вязкости. При высоких числах Рейнольдса турбулентная вязкость определяется на основе локальных значений плотности, кинетической энергии турбулентности к и степени ее диссипации е. Вблизи стенки, в области вязкого подслоя, для вычисления турбулентной вязкости использовалась гипотеза пути смешения Прандтля с применением выражения для пути смешения, предложенного Ван-Дристом (двухслойная модель турбулентности). дифференциальное уравнение входят четыре члена: нестационарный, конвективный, диффузионный и источниковый. Зависимая переменная Ф обозначает различные величины, такие как температура, составляющая скорости, кинетическая энергия или масштаб турбулентности. При этом коэффициенту диффузии Г и источниковому члену S следует придавать соответствующий каждой из этих переменных смысл.
Не все диффузионные потоки определяются градиентом соответствующей переменной. Однако это не ограничивает применения обобщенного уравнения, поскольку ту часть уравнения, которую нельзя записать в виде div(rgradO) можно отнести к источниковому члену S. Для определенных случаев коэффициент диффузии возможно даже считать равным нулю.
Процедура записи дифференциального уравнения в обобщенном виде (3.1) заключается в его преобразовании до тех пор, пока нестационарный, диффузионный и источниковый члены уравнения для данной функции не примут стандартный вид. Тогда в качестве коэффициента диффузии Г берут коэффициент перед gradcD в диффузионном члене, а все оставшиеся члены в правой части обозначают S (источниковый член).
Тот факт, что все интересующие нас дифференциальные уравнения, описывающие гидродинамику, тепломассообмен и турбулентность можно рассматривать как частные случаи уравнения (3.14), позволяет ограничиться решением этого уравнения. Данная идея в сочетании с методом контрольного объема [97] является основой для всех современных пакетов численного анализа гидродинамики и тепломассообмена (Star-CD, Fluent и т.д.).
Модификация методики для расчета с пористой стенкой
В результате выполненной работы проведено исследование стабилизированного турбулентного течения в канале с применением стандартной к - є модели турбулентности в коммерческом пакете численного анализа Star-CD в широком диапазоне чисел Рейнольдса и величины относительного вдува.
В результате теоретического анализа показана возможность применения такой модели турбулентности в сочетании с моделью турбулентности Ван-Дриста для надежного инженерного расчета такого класса задач. Такой вывод был сделан при верифицировании математической модели на данных, полученных автором в процессе физического эксперимента.
Был спроектирован, изготовлен и отлажен экспериментальный стенд для исследования течения с односторонним вдувом и нагревом противоположной стенки.
Впервые в результате проведенного эксперимента получены аппроксимирующие зависимости для числа Нуссельта для непроницаемой стенки в рабочем канале. Получен коэффициент трения в таком канале в широком диапазоне чисел Рейнольдса и величины относительного вдува. Показано, что хорошим обобщающим критерием для относительных чисел Нуссельта и коэффициента трения является относительный импульс I.
Впервые проведена классификация имеющихся в литературе методик расчета теплообменных аппаратов на основе трубы Фильда, использующих одномерные уравнения конвективного теплообмена. Проведенный анализ позволил выбрать методику расчета, основанную на численном решении одномерных уравнений конвективного теплообмена.
Проведенные расчеты теплообменного аппарата на основе трубы Фильда на основе выбранной методики показали бесперспективность использования обычной теплоизоляции для внутренней трубы теплообменного аппарата на основе трубы Фильда., что позволило обосновать правильность выбора улучшения эффективности теплообменного аппарата на основе трубы Фильда путем применения в конструкции теплообменного аппарата внутренней пористой трубы. Выполненная модификация автором выбранной методики расчета позволила применить ее к расчету теплообменного аппарата типа трубы Фильда с внутренней пористой трубой.
В результате проведенных расчетов теплообменного аппарата типа трубы Фильда с внутренней пористой трубой показано, что весьма эффективным может оказаться самая простая конструкция внутренней пористой трубы с точки зрения технологии изготовления. В этом варианте внутренняя труба может изготавливаться из пористого материала с постоянной пористостью.
Проведенные расчеты показали, что для теплообменного аппарата типа трубы Фильда, с внутренней трубой, изготовленной из пористого материала увеличивается степень регенерации теплообменного аппарата на 15 ч- 20 %, при увеличении относительных потерь давления на 30 -г 4 %. При этом рассматривался вариант изготовления внутренней пористой трубы из материала с постоянной пористостью.
Также разработана методика оптимизации параметров цикла замкнутой газотурбинной установки, позволившая увеличить проектную эффективность ЗГТУ на 2-4 % или уменьшить удельную поверхность теплообменных аппаратов замкнутых газотурбинных установок на 50-100 %.
Высокотемпературные теплообменные аппараты могут найти широкое применение в различных отраслях промышленности, прежде всего в энергетике, в том числе атомной.
Для этого необходимо обеспечить компенсацию температурных деформаций, а, следовательно, и напряжений. Анализ предлагаемых способов решения данной проблемы показал, что наиболее перспективным типом теплообменного аппарата для применения в качестве высокотемпературного теплообменного аппарата является теплообменный аппарат типа трубы Фильда. Основной недостаток трубы Фильда для однофазного теплоносителя - это наличие "паразитного" теплового потока, снижающего степень регенерации такого теплообменного аппарата.
Наиболее перспективным способом улучшения степени регенерации трубы Фильда, с точки зрения автора является устранение основной причины низкой эффективности такого теплообменного аппарата. Для этой цели необходимо подавить "паразитный" тепловой поток, выполнив внутреннею трубу из пористого материала.
Проведенные расчеты подтвердили теоретический анализ проблемы, степень регенерации теплообменного аппарата увеличивается на 15 -г 20 %, при увеличении относительных потерь давления на 30 -г 40 %.
