Моделирование интенсификации теплообмена в круглом канале с тангенциальными потоками
Изучение методики моделирования интенсификации теплообмена с помощью тангенциальных завихрителей в круглом канале. Определение зависимости эффективности теплоотдачи от скорости закручивающих потоков. Численное моделирование теплообмена в круглом канале.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 23.03.2018 |
| Размер файла | 99,2 K |
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/
Моделирование интенсификации теплообмена в круглом канале с тангенциальными потоками
Никитин Максим Николаевич,
кандидат технических наук,
Васильев Александр Сергеевич,
магистрант.
Архитектурно-строительный институт
Самарского государственного технического университета
Благодаря программным комплексам со свободной лицензией было проведено моделирование интенсификации теплообмена с помощью тангенциальных завихрителей в круглом канале. Определены зависимости эффективности теплоотдачи от скорости закручивающих потоков.
Ключевые слова и фразы: цилиндрический канал с завихрителями, эффективность теплоотдачи, закрученный поток, эффективность теплообмена.
Введение
В последнее время остро встает проблема нехватки ресурсов. Поэтому совершенствуются методы использования малоотходных технологических процессов, создаются новые технологические устройства с высокими удельными показателями. Ярким примером являются вихревые теплообменные аппараты. Интенсификация теплообмена в этих устройствах позволяет снизить как экономические, так и ресурсные затраты.
Целью работы было моделирование поверхностной теплоотдачи в цилиндрическом охлаждающем канале с завихрителями.
Численное моделирование
Расчетная область
Численное моделирование проводилось с помощью специализированных программных комплексов со свободной лицензией [2]. На рис. 1 представлена схема расчетной области.
Рис. 1. Схема расчетной области
Расчетная область представлена цилиндрическим каналом и четырьмя дополнительными каналами прямоугольного профиля. Основная часть теплоносителя подается в цилиндрический канал, где он закручивается тангенциальными потоками, оставшейся части рабочей среды. Основные конструктивные размеры расчетной области являются производными от диаметра цилиндрического канала (D):
L = 3.125·D; h1 = 0.11·D; h2 = 0.192·D; h3 = 0.11·D; h4 = 0.192·D.
В рассматриваемом случае был принят диаметр цилиндрического канала D = 160 мм. В связи с неопределенностью формирования вихревых структур в цилиндрическом канале, условие продольной симметрии не применялось.
Расчетная сетка
Расчетная сетка (рис. 3) построена в программном комплексе Salome [3] и содержит более 60 тысяч призматических элементов. Размер ячейки находится в диапазоне от 0.09 до 0.16 мм.
Рис. 3. Расчетная сетка
Вблизи поверхностей теплообмена (стенок канала) созданы призматические слои [4], которые позволяют повысить точность и стабильность решения в пристеночном вязком слое. Общая толщина пограничного слоя д = 0.002 м. Толщина первого слоя ДY = 0.00008 м, общее количество слоев Nд = 12 при коэффициенте растяжения fs = 1.2. Указанные параметры обеспечивают безразмерное расстояние y+ < 1.
Численная модель
Задача решена в нестационарной постановке с использованием модели турбулентности k-omega SST [4]. Выбранная модель турбулентности является комбинированной и позволяет получать решение в широком диапазоне чисел Рейнольдса.
Температура рабочей среды (воздуха) на входе t = 20 0C. Так как температура теплоносителя изменяется незначительно, приняты постоянные свойства среды (с, м, cp, л = const). Скорость потока варьировалась в диапазоне 1...4 м/с. Тепловой поток q = 1000 Вт/м2 был задан равномерным по всей поверхности теплообмена. Корректировка давления проводилась согласно полу-неявному алгоритму SIMPLEC. Для уравнений момента и энергии проводилась дискретизация первого порядка (Upwind). Эффекты от неортогональности элементов сетки учитывались в явной форме итерационным методом [4]. Предельная точность решения была ограничена на уровне 10-5 с максимальным количеством пошаговых итераций 100000. Стабилизация решателя была достигнута предельной релаксацией на уровне 0.5 и ограничением температур в расчетном области 20 ч 300 °C. Решение получено для 10 с численного эксперимента с фиксированным шагом 0.01 с.
Результаты численного моделирования
Было проведено несколько серий численных экспериментов, где рассматривались значения температуры при различных скоростях движения основного потока и сечениях тангенциальных каналов завихрителей.
Полностью открытые каналы завихрителей обеспечивают наибольшую эффективность теплоотдачи во всем рассмотренном диапазоне скоростей.
Наибольший эффективность теплообмена достигается при минимальных скоростях закручивающих потоков: увеличение скорости в 4 раза приводит к снижению температуры нагреваемого теплоносителя (воздуха) на 20 %.
Рис. 3.
На основании полученных данных определена аналитическая зависимость температуры нагреваемого теплоносителя от скорости закручивающих потоков:
T = 35.374·U-0.167,
где T - температура рабочей среды, оС; U - скорость тангенциального потока, м/с.
Частично открытые каналы завихрителей дают существенно меньший прирост эффективности теплоотдачи, зависимости которой от скорости потоков имеют линейный характер:
T = -0.57·U + 28.34,
T = -0.3293·U + 25.735.
Частично открытые каналы завихрителей демонстрируют слабую зависимость температуры нагреваемого теплоносителя от скорости закручивающих потоков: увеличение скорости в 4 раза приводит к снижению температуры нагреваемого теплоносителя (воздуха) на 7 %.
Заключение
В результате численного моделирования теплообмена в круглом канале с тангенциальными потоками определена зависимость эффективности теплоотдачи от скорости закручивающих потоков, а также от размеров впускных каналов завихрителя. Получены аналитические зависимости, которые показывают существенное увеличение эффективности теплоотдачи при использовании низкоскоростных закручивающих потоков при максимальной ширине впускных каналов.
Литература
теплообмен канал круглый завихритель
1. Халатов А. А. [Электронный ресурс]. URL: http://cyberleninka.ru/article/n/teploobmen-zakruchennogo-potoka-v-kanale-tsiklonnogo-ohlazhdeniya-lopatki-gtd (дата обращения: 25.05.2017).
2. Code_Saturne [Электронный ресурс]. URL: http://code-saturne.org/cms/ (дата обращения: 22.05.2017).
3. SALOME Platform [Электронный ресурс]. URL: http://www.salome-platform.org/ (дата обращения: 22.05.2017).
4. Цынаева А.А., Цынаева Е.А. Моделирование задач теплообмена и гидрогазодинамики с помощью свободного программного обеспечения // Вестник УлГТУ, 2014. № 68 (4). C. 42-47.
5. Митрофанова О.В. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков каналах ядерно-энергетических установок. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 288с.
6. Рогачев В.А. и др. CFD моделирование теплогидравлических характеристик равно-развитых теплообменных поверхностей // Современная наука, 2012. № 2. С. 2329.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Изучение понятия теплоотдачи, теплообмена между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Конвективный перенос теплоты. Анализ основного закона конвективного теплообмена. Уравнение Ньютона-Рихмана. Получение критериев теплового подобия.
презентация [189,7 K], добавлен 09.11.2014Моделирование процессов конвективного теплообмена. "Вырождение" критериев подобия. Определение средней скорости жидкости в трубе. Теплоотдача при продольном обтекании горизонтальной поверхности. Изменение коэффициента теплоотдачи вдоль пластины.
презентация [175,2 K], добавлен 18.10.2013Основные понятия конвективного теплообмена: конвекция, коэффициент теплоотдачи, термическое сопротивление теплоотдачи, сущность процессов теплообмена. Циклонные топки для сжигания дробленого угля. Характеристики газообразного топлива, доменного газа.
контрольная работа [122,9 K], добавлен 25.10.2009Тепловой баланс котельного агрегата, расчет теплообмена в топке и теплообмена пароперегревателя. Теплосодержание газов на входе и выходе, коэффициент теплоотдачи конвекцией. Расчет водяного экономайзера, воздухоподогревателя, уточнение теплового баланса.
практическая работа [270,8 K], добавлен 20.06.2010Конвективный теплообмен - одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью. Основные факторы, влияющие на процесс теплоотдачи. Свободная конвекция в неограниченном пространстве. Вынужденная конвекция. Уравнения конвективного теплообмена.
реферат [14,5 K], добавлен 26.01.2012Стационарная теплопроводность шаровой (сферической) стенки. Обобщенный метод решения задач стационарной теплопроводности. Упрощенный расчет теплового потока через плоскую, цилиндрическую и шаровую стенки (ГУ 1 рода). Методы интенсификации теплопередачи.
презентация [601,4 K], добавлен 15.03.2014Общие понятия лучистого теплообмена. Особенности лучистого теплообмена в разных средах. Тепловой баланс лучистого теплообмена в абсолютных и в относительных единицах. Абсолютно черное, белое и прозрачное тела. Эффективное и результирующее излучения.
презентация [44,0 K], добавлен 18.10.2013Определение объемного состава, удельной газовой постоянной, плотности, средней молярной массы и объема смеси. Условия воспламенения горючего материала в результате теплообмена излучением. Коэффициент теплообмена между продуктами горения и поверхностью.
контрольная работа [164,7 K], добавлен 04.03.2012Идеальная жидкость как жидкость без внутреннего трения. Безнапорное движение - движение жидкости в канале. Решение дифференциальных уравнений Навье-Стокса. Преобразование Лапласа для временных и преобразование Фурье для пространственных переменных.
курсовая работа [220,9 K], добавлен 09.11.2011Расчет горения топлива. Тепловой баланс котла. Расчет теплообмена в топке. Расчет теплообмена в воздухоподогревателе. Определение температур уходящих газов. Расход пара, воздуха и дымовых газов. Оценка показателей экономичности и надежности котла.
курсовая работа [4,7 M], добавлен 10.01.2013Определение коэффициента теплоотдачи при сложном теплообмене. Обмен теплотой поверхности твёрдого тела и текучей среды. Использование уравнения Ньютона–Рихмана при решении практических задач конвективного теплообмена. Стационарный тепловой режим.
лабораторная работа [67,0 K], добавлен 29.04.2015Определение присосов воздуха и коэффициентов избытка воздуха по отдельным газоходам. Тепловой баланса котла. Метод расчета суммарного теплообмена в топке с пневмомеханическим забрасывателем и цепной решеткой обратного хода. Расчет топочной камеры.
курсовая работа [203,9 K], добавлен 18.01.2015Основные схемы теплообмена. Схемы движения теплоносителей в теплообменных аппаратах. Классификация рекуператоров по материалу, преимущественному механизму теплообмена и схеме движения. Описание многоходового металлического противоточного рекуператора.
презентация [867,3 K], добавлен 07.08.2013Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителей; естественной конвекции, изменении агрегатного состояния вещества. Движение жидкости около горизонтальной и вертикальной поверхности. Значения коэффициента теплоотдачи для разных случаев теплообмена.
презентация [1,3 M], добавлен 24.06.2014Исследование тепловых явлений, влияющих на установление температурного режима в квартире. Обзор способов теплообмена: теплопроводности, конвекции и излучения. Анализ влияния толщины стекла на скорость теплообмена. Источники тепла в современных квартирах.
презентация [2,9 M], добавлен 13.02.2013Составляющие части холодильника. Конденсаторы воздушного охлаждения с принудительным движением воздуха и с конвективным движением воздуха. Конденсаторы водяного охлаждения. Кожухотрубные, кожухозмеевековые, оросительные, испарительные конденсаторы.
реферат [1,2 M], добавлен 07.01.2015Понятие конвективного теплообмена (теплоотдачи). Схема изменения температуры среды при конвективном теплообмене. Система уравнений, которая описывает конвективный перенос. Основной закон теплоотдачи, расчет ее коэффициента. Критерии теплового подобия.
презентация [207,9 K], добавлен 28.09.2013Элементарные виды теплообмена (теплопроводность, конвекция теплоты и тепловое излучение). Переход жидкости в пар (кипение). Пример распределения температуры в объеме кипящей воды. Процесс теплоотдачи при кипении. Уравнение и коэффициент теплоотдачи.
научная работа [531,6 K], добавлен 22.04.2015Тепловой и конструктивный расчет отопительного пароводяного подогревателя горизонтального типа и секционного водоводяного теплообменника. Подбор критериальных уравнений для процессов теплообмена. Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 15.12.2010Численное исследование энергоэффективной работы конденсаторной установки мини-ТЭС при различных условиях теплообмена с окружающей средой. Рассмотрение общей зависимости работы электростанций от использования различных органических рабочих веществ.
доклад [243,0 K], добавлен 09.06.2015
