CC BY
19ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
CFD - МОДЕЛИ ТЕПЛООБМЕНА И ТЕЧЕНИЯ В КРУГЛЫХ ТРУБАХ С
ИНТЕНСИФИКАТОРАМИ
Рогачов В.А.
к.т.н., доцент каф. Атомных электрических станций и Инженерной теплофизики Национального технического университета Украины
«Киевский политехнический институт», 03056, Украина, г. Киев, Проспект победы, 37 E-mail: valeriy_rogachov@Mkr.net Баранюк А.В.
к.т.н., асистент каф. Атомных электрических станций и Инженерной теплофизики Национального технического университета Украины
«Киевский политехнический институт», 03056, Украина, г. Киев, Проспект победы, 37 E-mail: Aleksandr W@i.ua Гриб Е.П.
магистрант каф. Атомных электрических станций и Инженерной теплофизики
Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт», 03056, Украина, г. Киев, Проспект победы, 37 E-mail: teram57@meta.ua Кобылянский В.Ю.
магистрант каф. Атомных электрических станций и Инженерной теплофизики
Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт», 03056, Украина, г. Киев, Проспект победы, 37 E-mail: teram57@meta.ua
CFD - MODEL OF HEAT EXCHANGE AND THE FLOW IN A CIRCULAR TUBE
WITH STRENGTH
Valery Rogachev
Ph.D., associate professor cafes. Nuclear power stations and the Engineering Thermophysics of the National Technical University of Ukraine
"Kiev Polytechnic Institute" 03056, Ukraine, Kiev,VictoryAvenue, 37 E-mail: valeriy_rogachov@,ukr.net Alexander Baraniuk
Ph.D., assistant cafes. Nuclear power stations and the Engineering Thermophysics of
the National Technical University of Ukraine "Kiev Polytechnic Institute" 03056, Ukraine, Kiev,VictoryAvenue, 37 E-mail: AleksandrW@i.ua Eugene Grib
undergraduate cafes. Nuclear power stations and the Engineering Thermophysics of the
National Technical University of Ukraine "Kiev Polytechnic Institute" 03056, Ukraine, Kiev,VictoryAvenue, 37 E-mail: teram57@meta.ua Vladimir Kobylyansky 37
undergraduate cafes. Nuclear power stations and the Engineering Thermophysics of the National Technical University of Ukraine
"Kiev Polytechnic Institute"
03056, Ukraine, Kiev,VictoryAvenue, 37
E-mail: teram57@meta.ua
АННОТАЦИЯ
Проведено исследование теплообмена в условиях отрывного течения внутри трубы с интенсификаторами. Средствами ANSYS-FLUENT разработаны численнные CFD-модели, позволяющие проводить расчеты теплогидродинамических параметров воздушного потока при отрывном течении в диапазоне чисел Рейнольдса от 7-103 до 30-103. Верификация численных моделей осуществлялась по средним коэффициентам теплоотдачи и гидродинамического сопротивления, полученными экспериментально. В качестве интенсификаторов использовались кольца, пружина и пережимы трубы.
ABSTRACT
The study of heat transfer in a separated flow inside the pipe from the intensifiers. By means of ANSYS-FLUENT CFD-developed numerical model, which allows to carry out calculations of heat-hydrodynamic parameters of the air flow in the separated flow in the range of Reynolds numbers from 7-103 to 30-103. Verification of numerical models at the average heat transfer coefficient and the drag obtained experimentally. Used as intensifiers ring, the spring and kinks.
Ключевые слова: труба, интенсификация, турбулизатор, кольца, пружина, пережимы.
Keywords: pipe, intensification, energizer, rings, spring kinks.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема дефицита топливно-энергетических и сырьевых ресурсов требует усовершенствования теплообменного оборудования. Перспективным направлением для решения этой проблемы, имеющей большое народнохозяйственное значение, является применение интенсификации процессов теплообмена в теплообменных устройствах, что способствует существенному снижению их массы и габаритов.
Одним из эффективных методов внутренней интенсификации теплообмена в трубчатых теплообменниках может быть применение турбулизирующих вставок или периодическое изменение внутреннего сечения трубы.
Часто, для разработки и проектирования интенсификаторов оптимальных геометрических размеров и форм, привлекают данные экспериментальных исследований [1-4]. Однако, по результатам большинства из них, невозможно получить строгую и детальную информацию о полях скорости, температуры, пульсаций в пристенной области потока и соответственно принять правильное решение по выбору конструкции интенсификатора. Поэтому, в данной работе проведено численное исследование закономерностей течения и теплообмена в круглой трубе с различными интенсификаторами с помощью разработанной численной CFD- модели в программе ANSYS-FLUENT. Такой подход позволяет расширить диапазоны режимных и геометрических параметров, исследуемых интенсифицирующих устройств, получить точные физические модели течения в рассматриваемых условиях, объясняющих механизм интенсификации теплообмена и на этой основе создать базу для проектирования эффективных теплообменников.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследовано три типа интенсификаторов: проволочные кольца (рис. 1а), устанавливаемые внутри проточной части трубы с заданным шагом; проволочная
пружина (рис. 1б) и пережимы проточной части трубы (рис. 1в), полученные путем выдавливания на наружной поверхности вдоль оси с диаметрально противоположных сторон двух профилированных канавок, располагаемых с определенным шагом. Шаг между турбулизаторами в изучаемых случаях выбран из соображений обеспечения максимальной интенсивности теплоотдачи по рекомендациям работы [6] и составляет I = 40 мм. Длина участка Ь в численных исследованиях равнялась 300 мм.
в)
а - труба с кольцами; б - труба с пружиной; в - труба с пережимами Рис.1 - Типы исследуемых интенсификаторов
Основные геометрические характеристики интенсификаторов, применяемых в исследованиях представлены в таблице 1.
Табл. 1 - Геометрические характеристики интенсификаторов
Наименование Тип турбулизатора
кольца пружина пережимы
Диаметр проволоки, йп, мм 4,0 4,0 -
Высота выступа, к, мм - - 4,0
Ширина выступа, Ь, мм - - 6
Продольный шаг между выступами, 1, мм 40 40 40
Внутренний диаметр турбулизатора, ё, мм 20 20 20
Длина рабочего участка в эксперименте, Ь, мм 1600 1600 1600
Внутренний диаметр трубы, Б, мм 28 28 28
Исследовался теплообмен при турбулентном течении воздуха со следующими параметрами на входе в трубу: средняя температура T® = 19,3 °С, давление P® = 0,1 МПа, степень турбулентности Tu® = 0,1 %, профиль скорости - турбулентный развитый. Задавались граничные условия первого рода Tw const. Числа подобия рассчитывались по среднерасходной скорости воздуха Wср и определяющему внутреннему диаметру трубы D. Турбулентное число Прандтля для рассматриваемых условий принималось равным 0,9.
Численное решение уравнений основывалось на неявном конечно-объемном подходе с использованием процедуры коррекции давления SIMPLE. Расчетная область покрывалась неравномерной, со сгущением к стенкам канала тетраэдрической сеткой. Размер минимального шага узлов сетки выбирался согласно рекомендациям [7]. Максимальное количество ячеек, необходимое для дискретизации расчетной области, составило ~4 млн. Для всех уравнений системы критерий сходимости решения составлял 10-5.
РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЕЙ СКОРОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ
Корректный выбор модели турбулентности (идентификация) и верификация (проверка) по известным экспериментальным данным проведены по четырем моделям: стандартная высокорейнольдсовая k-s модель (k-s Standard), Realizable k-s модель, k-ш модель переноса сдвиговых напряжений (SST) Ментера и модель рейнольдсовых напряжений (RSM). Идентификация модели турбулентности проводилась для гладкой трубы и труб с внутренними интенсификаторами при неизменных геометрических характеристиках и плотности расчетной сетки.
В качестве критериев адекватности модели турбулентности и корректности CFD-моделирования выбраны распределения коэфициентов теплообмена и гидродинамического сопротивления.
Теплообмен и сопротивление в гладкой трубе более корректно описывают k-s модели турбулентности, однако они некорректно прогнозируют изменение средних характеристик теплообмена и сопротивления для труб с турбулизаторами. Данные по теплообмену и сопротивлению труб с турбулизаторами, вычисленные с помощью k-ш SST модели, на 32 % отклоняются от результатов экспериментальных исследований [5]. Лучшую идентификацию по теплообмену (рис. 2,а) и сопротивлению (рис. 2,б) показывает RSM модель рейнольдсовых напряжений. При этом максимальное отклонение данных не превышает 0,4 % по сравнению с известными зависимостями [8].
Nu
100
10
3
\ 1
-1 г* ^ 3 2
2
\
4
103
104
0,1
0,02
2 S 1
1
W ......v ::
\ 3 2 \ 3
4,
\
Re 103
104
Re
а) б)
Рис. 2 - Результаты численного расчета безразмерных коэффициентов теплоотдачи (а) и гидравлического сопротивления (б): 1 - кольца; 2 - пружина; 3 пережимы; 4 - гладкая труба [8, 9]. точки - эксперимент [5]; линии - расчет.
\
Интенсивность теплообмена в трубе с кольцами оказалась в 2,9 раза выше, чем у гладкой трубы (рис. 2а, кривая 4) и на 15 % выше, чем у трубы с пружиной, имеющей самую низкую интенсивность теплоотдачи (кривая 2). Относительное увеличение коэффициента сопротивления для колец составило = 10. У пережимов (рис. 2б, кривая 3) сопротивление оказалось наименьшим среди интенсификаторов, и на 20% меньше, чем у трубы с кольцами.
По сравнению с гладкой трубой наибольшие интенсификация теплообмена и сопротивление наблюдаются в трубах с кольцами, и наоборот, для труб с пережимами, рост гидравлического сопротивления оказался наименьшим среди исследуемых и составил ^гл = 8, интенсивность теплообмена на 5% ниже по сравнению с кольцами. 40
Данные численного исследования по теплообмену для всех типов интенсификаторов в рассматриваемом диапазоне чисел Рейнольдса (7 - 15) 103 по сравнению с экспериментами дают завышенный примерно до 15 % результат, что, по-видимому, связано с принятыми допущениями и несовершенством численного моделирования. В то же время, по данным сопротивления (рис.2б) прослеживается хорошая корреляция экспериментальных и численных значений, не превышающая 5%.
КАРТИНЫ ТЕЧЕНИЯ В ОТРЫВНОЙ ОБЛАСТИ
Результаты СББ-моделирования представлены в виде пространственных распределений изолиний скорости и их пульсаций, температур, линий тока и траекторий движения частиц в центральных взаимоперпендикулярных сечениях трубы XОY и XОZ.
Для труб с кольцами (рис. 3) наблюдается область циркуляционного течения, образовавшуюся в результате отрыва вязкого слоя с поверхности турбулизатора, по мере продвижения вниз по потоку постепенно оторвавшийся пограничный слой искривляется в направлении к стенке трубы и затем присоединяется к ней в области х~ 20 мм. Пограничный слой, развивающийся от места присоединения, натекает на турбулизатор перед которым образуется другая область отрыва, что приводит к локальному увеличению скорости и вызывает рост пульсаций, монотонно возрастающих ниже по потоку.
Рис. 3 - Визуализация траекторий движения частиц в трубах с кольцами при Re
30103
Локальное увеличение скорости (рис. 4а) способствует возрастанию пульсаций и приводит к повышению интенсивности теплообмена в целом. Поток постепенно прогревается вблизи стенки (рис. 46).
б;
Рис. 4 - Распределение а) продольных пульсаций скорости (%) и б) температур (К) в продольном сечении трубы с кольцами при Яв = 30103
В отличие от колец, пружина не вносит возмущения в поток. При этом возмущения потока у стенки за препятствием достигают 1 %, а ядро потока остается невозмущенным (рис.5).
б)
Рис. 5 - Распределение а) продольных пульсаций скорости (%) и б) температур (К) в продольном сечении трубы с пружиной при Яв = 30103
На рис. 6 показано распределение траекторий движения частиц во внутреннем пространстве трубы с пружиной.
Рис. 6 - Картина течения в трубе с пружиной при Яв = 30103
Закручивающийся воздушный поток движется вдоль оси трубы, а интенсификация теплообмена в этом случае происходит за счет закрутки потока.
Картина течения в трубе с пережимами показана на рис. 7, здесь же проиллюстрирована схема линий тока в циркуляционой области за пережимом и их дальнейшее распространение в плоскости XОZ трубы.
Рис. 7 - Картина течения в трубе с пережимами при Re = 30-103
Уровни пульсаций скорости в пристенном слое достигают 1 %, они несколько ниже, чем в случае с пружиной, а размер возмущений в потоке не превышает высоты пережима h.
ВЫВОДЫ
По результатам исследований построены вычислительные модели течений вблизи пристеночной области для трех типов интенсификаторов, получены данные о распределениях турбулентности, скорости и температуры внутри трубы и влияние на них формы интенсификаторов, объяснены механизмы интенсификации теплообмена.
Показано, что в диапазоне чисел Рейнольдса Re = (7...30)-103 при установке в трубе колец, пружины и при применении пережимов наблюдается повышение интенсивности теплообмена в 2,1 - 2,9 раз по сравнению с гладкой трубой, причем, различие в интенсификации, изучаемых турбулизирующих устройств между собой лежит в диапазоне 14 %.
Наибольшее гидравлическое сопротивление наблюдается при установке колец, а наименьшее при пережимах сечения трубы, что делает этот тип интенсификаторов наиболее выгодным и перспективным при применении их в трубчатых теплообменных аппаратах.
Литература
1. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. - М.: «Наука», 1982. - 471 с.
2. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990. 208c
3. Дрейцер Г.А. Критический анализ современных достижений в области интенсификации теплообмена в каналах // Интенсификация теплообмена: Тр. Второй Рос. нац. конф. по теплообмену. М.: Изд-во МЭИ. 1998. Т.6. С. 91 - 98.
4. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. - Л.: «Энергия», 1980. - 144 с.
5. Рогачов В.А., Терех А.М., Бурлей В.Д., Семеняко А.В. Интенсификация теплообмена в круглой трубе // Энергетика: экономика, технологии, экология. 2008. №1. С. 36 - 43.
6. Пядишюс А.А. Турбулентный теплоперенос в пристенных слоях жидкости при наличии факторов возмущения течения: Дисс. ... докт. техн. наук. - Каунас, 1990. -261 с.
7. Белов И.А., Исаев С.А. Моделирование турбулентных течений. Учебное пособие. - Санкт-Петербург: БГТУ, 2001. - 109 с.
8. Сукомел А.С., Величко В.И., Абросимов Ю.Г. Теплообмен и трение при
турбулентном течении газа в коротких каналах. - М.: Энергия, 1979. - 216 с.
9. Рогачов В.А., Баранюк О.В. Моделювання гщродинамши i теплообмшу в початковiй дiлянцi кругло! труби при вщривнш течп // Науковi вiстi НТУУ „КПГ'. 2009. №4. С. 43 - 52.
REFERENCES:
1. Zhukauskas A.A. Convective transport of heat exchangers. - M.: "Science", 1982. - 471 p. (In USSA).
2. Kalinin, EK, Dreitser G.A., Yarkho S.A. Enhancement of heat transfer in the channels. - M .: Engineering, 1990, 208 p. (In USSA).
3. Dreitser G.A. A critical analysis of modern achievements in the field of heat transfer in the channels // Intensification of heat transfer: Tr. Second Ros. nat. Conf. on heat transfer. M .: Publishing House of the MEI. 1998 V.6. P. 91 - 98. (In USSA).
4. Migai VK. Improving the efficiency of modern heat exchangers. - St. Petersburg.: "Energy", 1980. - 144 p. (In USSA).
5. Rogachev V.A., Terekh A.M., Burley V.D., Semenyako A.V. Enhancement of heat transfer in a round pipe // Energy: the economy, technology, ecology. 2008. №1. P. 36 -43. (In Ukrainian).
6. Pyadishyus AA The turbulent heat transfer in the near-wall layers in the presence of liquid flow perturbation factors: Diss. ... Doctor. tehn. Sciences. - Kaunas, 1990. - 261 p. (In USSA).
7. Belov IA, Isaev SA Simulation of turbulent flows. Tutorial. - St. Petersburg: BGTU, 2001. - 109 p. (In Russian).
8. Sukomel AS, Velichko VI, Abrosimov Yu. Heat transfer and friction in turbulent gas flow in short channels. - M.: Energia, 1979. - 216 p. (In USSA).
9. Rogachev V.A., Baranyuk O.V. Modelling of hydrodynamics and heat transfer in the initial section of a round tube with the tear flow // Naukovi visti NTUU "KPI". 2009. №4. Pp 43 - 52. (In Ukrainian).
ВИНОГРАДНЫЕ ВЫЖИМКИ В КОМБИКОРМАХ ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПТИЦЫ
Жиенбаева Сауле Тургановна,
доктор технических наук, Алматинский технологический университет,
Казахстан.г.Алматы, ул Толе би 100 alua_01.02.03@mail. ru Батырбаева Нургуль Базиловна, докторант, Алматинский технологический университет Казахстан.г.Алматы, ул Толе би 100, alua_01.02.03@mail. ru
В производстве животноводческой продукции основным лимитирующим фактором являются высококачественные корма. Одним из важных путей решения этой проблемы является использование нетрадиционных видов сырья: побочные продукты масложировой, пищевой, зерноперерабатывающей, крахмалопаточной, плодоовощной, мясоперерабатывающей, рыбной и микробиологической промышленности. В качестве минеральной кормовой добавки также можно использовать природные минералы -бентонит, цеолит и шунгит.
Продуктивность животных зависит от содержания в кормах питательных веществ. В кормлении животных особое значение имеют витамины, а именно витамин А. Недостаток витамина А в рационах сельскохозяйственных животных и птицы наносит большой урон их продуктивности.
