CC BY
35
Мальцев Андрей Николаевич - аспирант кафедры теплотехники Архангельского государственного технического университета.
Тел.: 8 (8182) 21 -61 -71; 53-11 -22.
Saburov Eduard Nikolaevich - Doctor of Science (Technology), Professor, Head of the Heat Power Engineering Department, Archangelsk State Technical University. Tel.: 8 (8182) 21-61-71; 65-11-26.
Maltsev Andrey Nikolaevich - post-graduate student, Heat Power Engineering Department, Archangelsk State Technical University.
Tel.: 8 (8182) 21-61-71; 53-11-22.
УДК 532.527:621.783.223.3
A. H. Соколов, С. И. Осташев, Э.Н. Сабуров
АЭРОДИНАМИКА ТАМБУРА НАГРЕВАТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА С ОДИНАКОВЫМ НАПРАВЛЕНИЕМ ВРАЩЕНИЯ ВЫХОДЯЩИХ
ИЗ СЕКЦИЙ ГАЗОВ
A.N. Sokolov, S.I. Ostashev, E.N. Saburov
AERODYNAMICS OF HEATING DEVICE TAMBOUR WITH SIMILAR DIRECTION OF ROTATION OF SECTION EXHAUST GASES
В статье приводятся и анализируются результаты численного моделирования аэродинамики тамбура циклонного секционного нагревательного устройства с помощью программно-вычислительного комплекса ANSYS® Academic Research CFX. Применяемая на практике конструкция тамбура при выводе газов из секций в тамбур (с одинаковым направлением вращения) не соответствует требованиям равномерности ввода газов в рекуператор и снижения сопротивления нагревательного устройства.
Тамбур, секционная печь, аэродинамика, закрученный поток, численное моделирование.
The paper discusses results and analysis of cyclone sectional heating device tambour aerodynamic obtained with the help of ANSYS® Academic Research CFX software. Numerical modeling proved that the design of the heating device tambour used nowadays (with similar direction of rotation) doesn't meet requirements of the gas uniform flow into the recuperator and the decrease of heating device resistance.
Tambour, sectional heating device, aerodynamics, swirling flow, numerical modeling.
В настоящей работе, являющейся продолжением исследований [1], [2], приведены результаты численного моделирования аэродинамики тамбура циклонного нагревательного устройства.
Исследованный в работе тамбур является изготовленной в натуральную величину моделью тамбура циклонного секционного нагревательного устройства для нагрева штанг под резку (рис. 1) [2], [3]. В рассматриваемой конструкции нагревательного устройства вывод газов из секций осуществляется через общий тамбур. Ширина тамбура -0,454 м, длина - 0,348 м, высота прямоугольной части - 0,6 м, а сужающейся - 0,21 м. Ось заготовки отстояла от дна тамбура на 0,38 м, а ось
транспортирующих ее роликов - на 0,23 м. Размеры выходного отверстия тамбура 0,348 х 0,232 м.
Схема тамбура с обозначением сечений замеров скоростей и давлений потока представлена на рис. 1. Поперечное сечение I располагается на расстоянии 0,033 м от оси заготовки, или 0,05 м от дна тамбура. Сечение II совпадает с осью заготовки, сечения III и IV отстоят от оси на 0,2 и 0,4 м соответственно. Вертикальные сечения V - VIII, параллельные торцевым поверхностям тамбура, отстоят от его левого торца (рис. 1) на 0,01; 0,0875; 0,174; 0,2615 м. Сечения VII и IX делят тамбур на две равные части.
Рис. 1. Схема циклонного нагревательного устройства:
1- секция; 2 - горелочное окно; 3 - тамбур; 4 - ролик; 5 - выходной канал секции;
6 - заготовка
При моделировании движения газов в тамбуре использован программно-вычислительный комплекс ANSYS® Academic Research CFD, v. 11.0. Расчётная сетка создавалась средствами сеточного генератора ANSYS® CFX-Mech® и представляет собой смещенную неструктурированную сетку с 2 млн элементов. Нахождение границ автомодель-ности решения от размеров сетки не производилось ввиду сильного измельчения сетки в зонах соприкосновения заготовки с роликом. Выбор модели турбулентности, а также достоверность результатов моделирования обоснованы удовлетворительным совпадением опытных и расчётных данных по распределениям тангенциальной составляющей скорости потока, полученных на основе физического и численного исследований аэродинамики тамбура [1], [2].
Рабочий объём секции имеет внутренний диаметр DK - 0,464 м и длину £к = 1,044 м. Длина рабочего объёма секции при моделировании принята равной её половине. Предполагалось, что для рассматриваемой конструкции циклонного нагревательного устройства при двустороннем отводе газов существует симметрия в распределении скоростей и давлений относительно среднего поперечного сечения секции [2]. Греющие газы в рабочий объём каждой секции подводятся тангенциально четырьмя соплами, имеющими внутренний диаметр dBX = 0,042 м и расположенными с диаметрально противоположных сторон на расстоянии 0,464 м друг от друга. Направление вращения греющих газов в секциях является одинаковым (в одну сторону). Диаметр выходного канала с1вых и его длина равны, соответственно, 0,232 и 0,116 м. Заготовка диаметром ¿4 = 0,13 м опирается на транспортирующие ролики и располагается соос-
но с рабочим объемом нагревательного секционного циклонного устройства (секции).
Поле скоростей газов на срезе выходного канала секции является одним из факторов, определяющих формирование аэродинамической картины потока в тамбуре рассматриваемой конструкции. Приближенная осевая симметрия течения наблюдается лишь в области среза выходного кольцевого канала. В других сечениях замеров оно не симметрично (рис. 2). На общую картину течения газов значительное влияние оказывают нагреваемая заготовка, перемещающие ее ролики и их привод. Для рабочего объема тамбура характерным является образование вихревых пространственных зон.
Преобладание тангенциальной составляющей полной скорости в выходном вихре секции приводит к образованию интенсивного спиралевидного течения вблизи торцевой поверхности тамбура (рис. 2). Область стока газа из тамбура, расположенная в его верхней части, является наиболее активной зоной перемещения продуктов сгорания. Вывод газов из тамбура осуществляется в основном потоке, расположенном у его правой боковой поверхности в направлении вращения газов. Общая картина течения значительно перестраивается по мере увеличения расстояния от торцевых стенок. В верхней части тамбура, как видно в сечении VI, образуется слабопроточная зона. Уровень скоростей выходящего из тамбура потока, прижатого к боковой поверхности верхней правой части тамбура, значительно повышается. В среднем вертикальном поперечном сечении тамбура, в котором находится ось транспортирующего ролика, в верхней части вместо одного образуются два вихря левого и правого вращения, которые пере-
V-V VI-VI VII-VII VIII-VIII
Рис. 2. Схема движения газов в тамбуре
крывают большую часть сечения на входе в сужающуюся часть тамбура. Выходной поток в этом сечении уменьшается в размерах. Снижается и его интенсивность. В левой части выходного отверстия тамбура появляется обратный ток, внедряющийся в зону сопряжения двух вихревых образований. Во второй половине верхней части тамбура - в сечении VIII - вихреобразования ликвидируются, и всю ранее занимавшую ими зону заполняет поток, направленный навстречу выходящему из тамбура течению.
Потоки в нижней части тамбура (ниже продольной горизонтальной плоскости, включающей ось заготовки) позволяют представить картину формирования выходного течения и обтекания заготовки. И в этой области тамбура также имеются слабопроточные зоны и области вихреобразо-ваний. Особенности обтекания заготовки и транспортирующего ролика определяют в значительной степени организацию потоков не только в нижней, но и в верхней части тамбура.
Часть газов из выходного канала секции движется по направлению к боковым поверхностям
тамбура, образуя две области пространственных боковых течений. Боковые и торцевые течения определяют формирование общей картины движения газов в тамбуре (рис. 2). Движение газов в основной горизонтальной плоскости, включающей ось заготовки, характеризуется образованием четырёх устойчивых циркуляционных течений в угловых частях тамбура (рис. 2 , сечение II). По высоте тамбура под влиянием основного потока эти течения существенно перестраиваются. Это особенно заметно в верхней конфузорной части тамбура и в его выходном сечении (рис. 2, сечения III, IV). В результате в выходном сечении тамбура образуется сложное поле скоростей. Лишь часть выходного отверстия занята выходящими газами. Значительная часть отверстия занята циркуляционным течением с общим обратным направлением осевого перемещения. Такое истечение газов неблагоприятно с точки зрения обеспечения равномерности поля скоростей на входе газов в рекуператор, а также с точки зрения ликвидации лишних температурных напряжений в конструкции. Снижение площади истечения газов из рекуператора
слабопроточными и обратными потоками приводит к росту его сопротивления и общего сопротивления нагревательного устройства.
Таким образом, в тамбуре рассматриваемой конструкции при выводе газов из секций нагревательного устройства с одинаковым направлением вращения их течение отличается сложностью и разнообразием взаимодействия с ограничивающими объем тамбура поверхностями. Можно предположить, что в тамбуре имеет место высокий уровень конвективного теплообмена, что наряду со значительной температурой газов может быть причиной существенных тепловых потерь через ограждающие его конструкции. Вопрос о наиболее целесообразной организации вывода газов из тамбура в рекуператор требует специального изучения.
Список литературы
1. Осташев, С.И. Аэродинамика тамбура циклонной секционной печи / С.И. Осташев, Э.Н. Сабуров, А.Н. Соколов // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: сб. науч. тр. Вып. 73. -Архангельск: АГТУ, 2007. - С. 169 - 176.
2. Сабуров, Э.Н. Аэродинамика циклонной газовой печи скоростного нагрева штанг / Э.Н. Сабуров, С.И. Осташев, А.Л. Бергауз и др. // Газовая промышленность. Серия «Использование газа в народном хозяйстве». - 1980. -Вып. 11.-С.8-11.
3. Сабуров, Э.Н. Аэродинамика циклонных секционных нагревательных устройств / Э.Н. Сабуров, С.И. Осташев. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2005.
Соколов Александр Николаевич - аспирант кафедры теплотехники Архангельского государственного технического университета.
Тел.: 8(8182)21-61-71.
Осташев Сергей Иванович - кандидат технических наук, профессор кафедры теплотехники Архангельского государственного технического университета.
Тел.: 8 (8182) 21-61-79; 29-29-71.
Сабуров Эдуард Николаевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теплотехники Архангельского государственного технического университета.
Тел.: 8 (8182) 21-61-71; 65-11-26.
Sokolov Alexander Nikolaevich - post-graduate student, Heat Power Engineering Department, Archangelsk State Technical University.
Tel.: 8 (8182) 21-61-71.
Ostashev Sergey Ivanovich - Candidate of Science (Technology), Professor, Heat Power Engineering Department, Archangelsk State Technical University.
Tel.: 8 (8182) 21-61-79; 29-29-71.
Saburov Eduard Nikolaevich - Doctor of Science (Technology), Professor, Head of the Heat Power Engineering Department, Archangelsk State Technical University.
Tel.: 8 (8182) 21-61-71; 65-11-26.
