Главная Коллекция "Revolution" Производство и технологии Моделирование завихренного течения воздуха в вихревой трубе А.П. Меркулова с вариацией положения заслонки соплового выхода горячего потока

Моделирование завихренного течения воздуха в вихревой трубе А.П. Меркулова с вариацией положения заслонки соплового выхода горячего потока

Численное моделирование температурных разделений в вихревой трубе А.П. Меркулова при разных положениях заслонки соплового выхода горячего потока посредством пакета прикладных программ "Ansys Fluent". Характер имеющегося температурного разделения.

Рубрика Производство и технологии
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 16.01.2022
Размер файла 1,8 M
рефераты на заказ со скидкой

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Космический факультет

Московский государственный технический університет имени Н.Э. Баумана

Моделирование завихренного течения воздуха в вихревой трубе А.П. Меркулова с вариацией положения заслонки соплового выхода горячего потока

Романенко П.А., студент 2 курс магистратуры

Научный руководитель: Корольков А.В., доктор ф.-м. наук

Заведующий кафедры К3, профессор

Аннотация

Проведено численное моделирование температурных разделений в вихревой трубе А.П. Меркулова при разных положениях заслонки соплового выхода горячего потока посредством пакета прикладных программ (ППП) “Ansys Fluent”. Результаты были сопоставлены с имеющимися экспериментальными данными в книге А.П. Меркулова.

Ключевые слова: эффект Ранка-Хилша, эффект температурного разделения, вихревая труба А.П. Меркулова, численное моделирование, Ansys Fluent, вихревые течения воздуха, течение в вихревой трубе, модель турбулентности k-epsilon Realizable.

Annotation

The numerical simulation of temperature separations in the A. P. Merkulov vortex tube at different positions of the hot flow nozzle outlet flap was performed in the “Ansys Fluent” application software package. Results were compared with the available experimental data in the book by A.P. Merkulov.

Key words: Rank-Hilsch effect, temperature separation effect, A.P. Merkulov vortex tube, numerical simulation, Ansys Fluent, vortex air flows, flow in a vortex tube, turbulence model k-epsilon Realizable.

Введение

Данная работа является прямым результатом повышения спроса к энергоэффективным нагревательным и охладительным установкам без прямого источника тепла и реакции горения (вихревым трубам) в различных областях бизнеса и научно-исследовательских задач. Подробно и глубоко исследовались вихревые трубы, эффект Ранка-Хилша, а также выдвигались гипотезы, объясняющие характер имеющегося температурного разделения в работах [1-10].

Целью этой работы было изучение завихренных течений воздуха в вихревой трубе А.П. Меркулова, численное моделирование температурных разделений в вихревой трубе при разных положениях заслонки соплового выхода горячего потока, а также сопоставление результатов имеющимися экспериментальными данными, приведёнными в [1, с. 13]. Все численные эксперименты проводились с помощью ППП Ansys Fluent, в котором решалась задача внутреннего течения сжимаемой жидкости при давлении в 6 атмосфер на сопловом входе и высоким числом Рейнольдса, Re^h = где и - средняя характерная скорость; dh - гидравлический диаметр; v - кинематическая вязкость среды.

Постановка задачи. Для математического описания трехмерного течения потока жидкости в вихревой трубе Ранка-Хилша используются следующие уравнения:

Уравнения Навье - Стокса, осреднённые по методу

где: И - универсальная газовая постоянная; Т - температура;

Уравнение модели турбулентности (уравнение стандартной модели к -- Ј):

где: к - кинетическая энергия турбулентных пульсаций; Ј - диссипация турбулентной энергии; ак, <гЈ, Сг, С2 - эмпирические постоянные, выбранной модели турбулентности; Рк - генерация турбулентной энергии. Компьютерная модель. Проектирование геометрии модели было произведено подетально, согласно имеющимся чертежам, а затем собрано в единую конструкцию в ППП SoHdworks. Размеры, чертежи и конструкционные особенности трубы брались из таблицы характерных размеров компонентов исследованных вихревых труб в [1, с. 8].

Рисунок 2. Геометрия компьютерной модели вихревой трубы А.П. Меркулова в разрезе

Постановка условий численного решения

Граничные условия в терминологии Ansys Fluent:

¦ На входе в вихревую камеру задаются параметры потока через давление, тип граничного условия - pressure inlet:

Полное давление (gauge total pressure), равное давлению торможения потока воздуха от компрессора, задаётся равным 6 атмосферам;

Статическое давление (initial gauge pressure) для инициализации при Mach > 1, задаётся равным около 0,7 от полного для лучшего приближения;

Полная температура (total temperature), равная температуре торможения потока воздуха от компрессора, задаётся равной 30 градусам Цельсия; Кинетическая энергия турбулентных пульсаций, по [11, с. 21];

Скорость диссипации турбулентной энергии, по [11, с. 21].

¦ На выходе горячего и холодного потоков условия давления окружающей среды, тип граничного условия - pressure outlet:

Статическое давление (gauge pressure), задаётся равным атмосферному; Полная температура (total temperature), равная температуре торможения потока воздуха от компрессора, задаётся равной 30 градусам Цельсия; Кинетическая энергия турбулентных пульсаций k =1;

Диссипация турбулентной энергии e = 1.

¦ На стенке вихревой трубы проточной части тип граничного условия - solid wall:

Условие для прилипания газа, шероховатость 0,2 мкм, без обмена со средой; Начальные условия в терминологии Ansys Fluent:

¦ Во всей проточной области:

Статическое избыточное давление (gauge pressure), задаётся равным двум атмосферам (при operating pressure = 0);

Термодинамическая температура, задаётся равной 30 градусам Цельсия; Скоростной напор Ux = Uy = Uz = 0;

Кинетическая энергия турбулентных пульсаций k =1;

Диссипация турбулентной энергии e = 1.

Параметры среды. В качестве рабочей среды был выбран воздух, подчиняющийся закону идеального газа. Теплоёмкость и вязкость изменяются в зависимости от температуры, теплопроводность изменяется согласно молекулярно-кинетической теории.

Параметры численного решения. Численное решение производится в стационарной постановке. Тип решателя - сопряженный, с алгоритмом решения на основе плотности. Учет гравитационных сил, ввиду их незначительности в этой модели течения, не ведётся. Решение уравнений Навье-Стокса производится методом конечных объемов. Замыкают уравнения Навье-Стокса уравнения двухпараметрической модели турбулентности Realizable k-epsilon (standart wall functions). Для аппроксимации конвективных потоков использовалась неявная численно - разностная схема 2-го порядка точности с применением метода Роу (Roe-FDS) для нахождения основных значений газодинамических потоков в узлах расчётной сетки.

Расчётная сетка

вихревая труба горячий поток

С помощью Ansys AUTODYN генерировалась треугольная сетка, содержащая порядка 3 миллионов 250 тысяч ячеек (количество варьировалось от положения заглушки) и обладающая хорошим качеством сеточных элементов, а также хорошей разрешимостью мелких особенностей геометрий. Треугольная сетка являлась базовой для генерации гексаэдральной, которая рекомендуется для расчётов в Ansys Fluent 19. Расчёты на гексаэдральной сетке значительно оптимизировали

Рисунок 3. Расчетная сетка

Таблица 1.

Расчет влияния закрытия заслонки на выходном сопле горячего потока на параметры потока вихревой трубы А.П. Меркулова

Стандартное положение заглушки

Сопловой вход

Холодный выход

Горячий выход

Давление [Pa]

438345

101325

101325

Полное давление [Pal

607950

117630

156320

Температура [K]

203,328

259,662

278,237

Полная температура [Kl

303,15

284,47

314,775

Расход [kg sA-1]

0,00875266

0,00337247

-0,00538835

Площадь сечения на выходе горячего потока 12,5 ммЛ2

Сопловой вход

Холодный выход

Горячий выход

Давление [Pa]

438345

101325

101325

Полное давление [Pal

607950

144346

189698

Температура [K]

276,148

229,11

266,451

Полная температура [Kl

303,15

285,419

317,447

Расход [kg sA-1]

0,00979798

0,00446107

-0,00537523

Площадь сечения на выходе горячего потока 8 ммЛ2

Сопловой вход

Холодный выход

Горячий выход

Давление [Ра]

445421

101325

101325

Полное давление [Ра1

607950

172579

213779

Температура [К]

277.413

226,481

265,671

Полная температура [К1

303,15

291,593

322,42

Расход ^ sA-1]

0,009676

0,00544642

-0,00388498

Площадь сечения на выходе горячего потока 5,5 ммЛ2

Сопловой вход

Холодный выход

Горячий выход

Давление [Ра]

454527

101325

101325

Полное давление [Ра1

607950

200791

237474

Температура [К]

279,019

227,983

262,022

Полная температура [К1

303,15

294,804

321,742

Расход ^ sA-1]

0,0095058

0,00637614

-0,00290492

Результаты исследования. Были проведены до условий сходимости по невязкам численные эксперименты. Вихревой эффект температурного разделения был получен для трубы А.П. Меркулова с вариацией площади сечения соплового выхода нагретого потока. Расход воздуха на выходе горячего потока варьировался сдвигом иглы к закрытию и уменьшением тем самым площади сечения соплового выхода.

Рисунок 4. Картины распределения температур в вихревой трубе А.П. Меркулова с вариацией положения заслонки соплового выхода горячего потока; A) стандартное положение заслонки; B) площадь сечения на выходе горячего потока 12,5 мм??; C) площадь сечения на выходе горячего потока 8 мм??; D) площадь сечения на выходе горячего потока 5,5 мм??.

Рисунок 5. Картины распределения давлений в вихревой трубе А.П.

Меркулова с вариацией положения заслонки соплового выхода горячего потока; A) стандартное положение заслонки; B) площадь сечения на выходе горячего потока 12,5 мм??; C) площадь сечения на выходе горячего потока 8 мм??; D) площадь сечения на выходе горячего потока 5,5 мм??.

Рисунок 6. Картины распределения чисел Маха в вихревой трубе А.П. Меркулова с вариацией положения заслонки соплового выхода горячего потока; A) стандартное положение заслонки; B) площадь сечения на выходе горячего потока 12,5 мм??; C) площадь сечения на выходе горячего потока 8 мм??; D) площадь сечения на выходе горячего потока 5,5 мм??.

Сравнение с экспериментальными данными

Сравнение влияния закрытия заслонки на выходном сопле горячего потока на параметры теплоизолированной трубы А.П. Меркулова для численного расчета и эксперимента. Результаты расчета качественно и количественно отличаются от экспериментальных. Имеющиеся данные для всех исследуемых положений заслонок на выходе горячего потока, дающих различные весовые доли холодного потока, отличны и слабо сопоставимы с экспериментальными данными.

Рисунок 7. Сравнение характеристик численного расчета и эксперимента для теплоизолированной трубы А.П. Меркулова

Заключение

Полученный вихревой эффект для рассматриваемых труб визуально полностью сопоставим с эффектом, наблюдаемым на реальных прототипах в работах исследователей. Тем не менее, имеются сильные и неустранимые с помощью уменьшения погрешности сеточных элементов или выбора иных моделей турбулентности различия в термодинамических характеристиках потока, которые были обнаружены в результате численного моделирования. Эффект подогрева горячего потока и эффект охлаждения холодного, в сравнении с экспериментальными данными, имел качественные и количественные отличия.

Таким образом, в работе были выявлены узкие места применения численных методов для моделирования вихревого эффекта энергоразеделения. Для однозначного установления причины требуются дополнительные исследования, вероятно, с помощью методов прямого численного моделирования. Также имеется предположение, что для дальнейшего использования математической модели, описанной в работе, требуется разработка замыкающей уравнения модели турбулентности, которая учитывала бы особенности вихревых течений.

Использованные источники

1. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. - М.: Машиностроение, 1969, 183 с.

2. Хаит А.В., Носков А.С., Бутымова А.П., Плешков С.Ю., Ловцов А.В. Энергоэффективность и экономическая целесообразность применения систем искусственного климата на базе вихревой трубы // ИСЖ. - 2011. - № 1. - С. 17-23.

3. Носков А.С. Ловцов А.В. Хаит А.В. Моделирование газового потока в двухконтурной вихревой трубе Ранка-Хилша. Вычислительная механика сплошных сред. - 2012. -Т.5, №3. - С.313-321.

4. Носков А.С., Якшина Н.В., Хаит А.В., Ловцов А.В. Использование холодильно-нагревательных систем на базе вихревых труб для организации заданного микроклимата в производственных и складских помещениях. Система управления экологической безопасностью // Сб. трудов Четвертой заочной межд. научно-практической конференции, г. Екатеринбург, 27 -28 мая 2010 г. - Т. 2. - С. 81-87.

5. Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения. - УНПЦ «Энергомаш», 2000. - 415 с.

6. Гуцол А.Ф. Эффект Ранка. Успехи физических наук: Методические заметки. - 1997. -Т. 167, №6. - С. 665-687.

7. Антипина Н.А. Тарунин Е.Л. Расчет турбулентного режима гидродинамики и теплообмена в вихревой трубе Ранка-Хилша. Вестник Пермского университета. - 2008. -Вып.№4(20). -С. 70-76.

8. Коркодинов Я.А. Хурматуллин О.Г. Применение эффекта Ранка-Хилша. Пермский национальный исследовательский политехнический университет. УДК. - 2012.- С.42-53.

9. Орлов А.Ю. Суворова Ю.А. Энергосбережение в процессах сушки с вихревой трубой. Вестник ТГТУ. - 2013.-Т. 19, №4.-С. 832-836.

10. Власенко В.С. Слесаренко В.В. Трехпоточная вихревая труба как инструмент подготовки паров нефтепродуктов к рекуперации. Modеm High Tеhnologiеs - 2014. -Вып.№5.- С. 130-134.. Безопасность в техносфере - 2013. -Вып.№6.- С.46-51.

11. А.М. Зиганшин, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА. Постановка и решение задач в процессоре Fluent. Методическое пособие для учебной и научной работы студентов направления «Строительство» (квалификация «бакалавр» и «магистр») и аспирантов специальности 05.23.03. Казань, 2013. - 81 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены