CC BY
44
Письменний Е.Н.1, Рогачов В.А2, Баранюк А.В.3, Семеняко А.В.4, Вознюк М.М.5 1,2,3,4,5Национальньш технический университет Украины Киевский политехнический институт CFD-МОДЕЛИРОВАНИЕ ОМЫВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ УДОБООБТЕКАЕМОЙ ФОРМЫ С НЕПОЛНЫМ
ПОПЕРЕЧНЫМ ОРЕБРЕНИЕМ
Аннотация
В статье рассматривается возможность снижения гидродинамического сопротивления секций теплообменных аппаратов путем применения новых видов развитых конвективных поверхностей нагрева на основе плоско-овальных труб с неполным поперечным оребрением, разработанных в НТУУ «КПИ» .
Ключевые слова: гидродинамическое сопротивление, омывание, отрывное течение, верификация.
Письменний Е.Н.1, Рогачов В.А.2, Баранюк А.В.3, Семеняко А.В.4, Вознюк М.М.5 1,2,3,4,5National technical university of Ukraine is the "Kiev polytechnic institute"
CFD-MODELING OF FLOW NEAR-BY THE SURFACE OF TUBES OF THE COMFORTABLE-SHAPED FORM WITH
INCOMPLETE FINING
Abstract
In the article possibility of decline of hydrodynamic resistance of sections of heat-exchange vehicles is examined by application of new types of the developed convectiv surfaces of heating trivial-oval tubes with incomplete transversal fining developed in NTUU «KPI».
Keywords: hydrodynamic resistance, that can be torn off flow, verification.
Введение
Проблема интенсификации теплообмена в конвективных поверхностях нагрева из которых состоит теплообменная секция теплообменного аппарата (ТОА) имеет особую актуальность, которая заключается в минимизации затрат на прокачку теплоносителя через ТОА и одновременным уменьшением его массогабаритных показателей.
Для решения этой проблемы в НТУУ «КПИ» предложено в качестве элементов теплообменной поверхности использовать плоско-овальные трубы удобообтекаемой формы с неполным поперечным оребрением [1-3]. Такие трубы по сравнению с широко применяемыми круглыми оребренными трубами при одинаковых затратах мощности на прокачку теплоносителя имеют на 10-15% большую тепловую эффективность. Аэродинамическое сопротивление шахматных пучков плоско-овальных труб в 1,3-1,4 раза меньше, чем для таких же по геометрическим характеристикам пучков из оребренных круглых труб. Поэтому, для углубления представлений о механизме и причинах интенсификации теплообмена, уровне турбулизации течения в новых типах поверхностей целесообразно использовать методы CFD-моделирования.
CFD-модель позволит детализировать характер течения вблизи несущей трубы и ребер, а также объяснить ожидаемый эффект интенсификации теплообмена оребренной плоско-овальной трубы. Для проверки адекватности численной модели, необходимо провести ее верификацию на известных экспериментальных данных [1]. После чего станет возможным, не проводя дорогостоящих экспериментов, определить оптимальные геометрические характеристики несущей плоско-овальной трубы и ее оребрения.
Постановка задачи
CFD-модель базируется на полной трехмерной модели элемента плоско-овальной трубы с плоским приварным оребрением (рис. 1). Поставленная задача является внешней. Представленная на рис. 1а изучаемая поверхность, размещена в канале аэродинамической трубы прямоугольного сечения. Тонкими осевыми линиями выделен исследуемый элемент поверхности. Расчетный элемент выбран таким образом, чтобы смоделировать гидродинамическую картину течения жидкости в полуоткрытых каналах прямоугольной формы, образованных ребрами и криволинейной поверхностью несущей трубы. С этой целью выбран средний по высоте плоско-овальной трубы межреберный канал.
Для подготовки численной модели использовался пакет CFD-моделирования ANSYS-Fluent. Расчетная область (рис. 2б) покрывалась неравномерной, со сгущением к стенкам трубы декартовой сеткой. Размер минимального шага у стенки трубы выбирался согласно рекомендаций [6] из условия Re/1. Минимальный и максимальный шаги при этом составляли 5-10'5 и 1-10'4 м. Максимальное количество ячеек необходимое для дискретизации составило ~4 млн.
а) б)
Рис. 1. - Область решения задачи (а) и конечно-элементная модель плоско-овальной трубы (б)
Методика проведения исследований подробно описана в опубликованных ранее работах [1-4].
Результаты верификации CFD-модели
Для проверки адекватности воспроизведения и точности предлагаемой CFD-модели основных аэродинамических характеристик потока проведены исследования распределения статического давления вдоль поверхности ребра, которые представлены в виде безразмерных коэффициентов давления и вычисляемые с помощью соотношения:
C
pt
Paol )
aoi ]
р wld
(1)
где Ратм - атмосферное давление; Рст t - статическое давление в i-м сечении; w^ - среднерасходная скорость потока; □ -плотность омываемого воздуха.
Продольное распределение коэффициентов давления Cpi при разных относительных высотах ребра y/h показано на рис. 2. Анализ представленных ниже данных свидетельствует, что CFD-модель достаточно корректно отражает поле давлений в прикорневой области ребра (y/h = 0,875) и вблизи центра канала (y/h = 0,625). Максимальное отклонение расчетных данных от экспериментальных (по краям кривой) составляет 20%. Но в сечениях y/h = 0,125 и y/h = 0,375, находящихся вблизи вершин ребер, корреляция носит только качественный характер, что связано, по нашему мнению, с недостаточной детализацией расчетной области.
76
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 x/L 0 0’1 0’2 0’3 °’4 °’5 °’6 °’7 °’8 °’9 x/L
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 x1L
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 x/L
Рис. 2. - Распределение безразмерных коэффициентов давления при Re* = 50-103 в сечениях y/h = 0,125 (а), y/h = 0,375 (б), y/h = 0,625 (в) и y/h = 0,875 (г): точки - эксперимент; линии - численное моделирование.
При этом, необходимо отметить, что при помощи численного моделирования для всех сечений y/h получены данные, которые не обнаружены в физическом эксперименте [3]. Так, область обратного положительного градиента давления вблизи передней кромки ребра x/L и 0,05 (рис. 2) вязана с возникновением на поверхности ребра отрывного пузыря, примыкающего к его острой кромке [9]. Второй и меньший по величине градиент давления, наблюдаемый ниже по потоку только в сечении y/h = 0,875 (рис. 2, г), свидетельствует о наличии отрывной области, находящейся на поверхности несущей трубы в месте, где скругленный ее участок переходит в линейный, так называемый начальный участок.
Резюмируя полученные результаты по верификации, можно констатировать, что разработанная CFD-модель достаточно хорошо воспроизводит закономерности распределения коэффициентов Cpi и может быть применена для проведения дальнейших исследований теплогидродинамических процессов при омывании плоско-овальной трубы.
Результаты моделирования гидродинамического процесса
Продольные распределения коэффициентов Cpi на ребре при Re* = 50-103 и различных относительных удлинениях d2/d1
представлены на рис. 3.
в)
г)
1 -h = 60 мм (d2/di = 2,8); 2 -h = 45 мм (d2/di = 2,8); 3 -h = 60 мм (d2/di = 2,8);
4 -h = 60 мм (d2/d1 = 2); 5 -h = 45 мм (d2/d1 = 2); 6 -h = 30 мм (d2/d1 = 2).
Рис. 3. - Распределение коэффициентов Cpi вдоль ребра в сечениях y/h = 0,125 (а), y/h = 0,375 (б), y/h = 0,625 (в) и y/h = 0,875 (г)
Анализ рис. 3 свидетельствует, что зависимости Cpi = f(x/L) имеют немонотонный характер, указывающий на постепенный рост скорости внутри межреберного канала. В интервале 0,125 < y/h < 0,875 на участке 0 < x/L < 0,05 (вблизи передней острой кромки ребра) наблюдается стремительное падение, а затем постепенный рост давления, до максимума, координаты которого практически совпадают с координатами отрывного пузыря, примыкающего к кромке ребра (рис. 3). Второй градиент давления прослеживается на всех кривых для сечения y/h < 0,875 (рис. 3, г), расположенного ближе к корню ребра. Причем, минимумы давлений малоподвижны и не зависят от высоты ребра h. Их координата для профиля трубы d2/d1 = 2,8 составляет x/L и 0,23, а для трубы d2/d1 = 2,0 -x/L и 0,3.
На рис. 4 по результатам моделирования представлена картина течения на поверхностях ребра и несущей трубы в виде траекторий движения частиц потока. Численный эксперимент позволил получить первую отрывную зону, примыкающую к передней кромке ребра. Напомним, что толщина ребра в данных исследованиях имеет 2 мм, а она по оценкам работ [8, 9] существенно влияет на длину отрывной зоны, которая для указанной толщины составляет ~ 7 мм. Этот результат подтверждается вычислительным экспериментом в котором длина отрывной зоны для различных Re* и y/h является величиной фиксированной и равной x и 0,05L, где L = 140 мм.
77
Отрывной пузырь 1 деформирован (растянут вдоль по потоку) со стороны свободного торца ребра и около „кармана”, размещенного между выступающими частями ребер вблизи лобовой части трубы. Логично допустить, что деформация отрывного пузыря связана в первую очередь с взаимодействием потоков, которые двигаются в образованных ребрами полуоткрытых каналах. Таким образом, вблизи стенки трубы существует две замкнутые отрывные области. Длина второго отрывного пузыря 2 составляет ~ 7 мм , а его высота в средней части ~ 1,4 мм. Дальше за точкой присоединения на стенке трубы начинает развиваться пограничный слой, срыв которого происходит в кормовой части за миделевым сечением закругленного участка трубы и переходит в ближний след 3, который обычно формируется позади тел цилиндрической формы и носит циркуляционный характер. Представленная на рис. 3 схема течения в качественном отношении похожа на схему течения в межреберных каналах плоскоовальных труб, полученную по результатам экспериментальных исследований методом визуализации [3].
Резюмируя представленные результаты, можно констатировать, что с помощью вычислительного эксперимента удалось более полно описать закономерности течения в межреберных каналах плоско-овальных труб с неполным поперечным оребрением и объяснить механизм интенсификации теплообмена в них [4].
Выводы
По результатам численного моделирования можно сделать следующие выводы:
о верификация с экспериментальными данными [1] показала, что различия между расчетными и опытными
коэффициентами давления, в среднем, не превышают 18 %;
o численный расчет расширил представления об особенностях течения на ребре плоско-овальной трубы и позволил
получить модель течения на поверхностях трубы и ребра.
Литература
1. Письменний Е.Н., Терех А.М., Семеняко А.В., Баранюк А.В. Теплоаэродинамическая эффективность трубчатых поверхностей нагрева ре-генераторов ГТУ // Промышленная теплотехника. - 2010. - Т.32, №4 - С. 63-73.
2. Письменний Е.Н., Терех А.М., Бурлей В.Д., Баранюк А.В. Теплообмен и аэродинамическое сопротивление малорядных пучков плоско-овальных труб с неполным оребрением // Промышленная теплотехника. - 2010. - Т.32, №5 - С. 34-41.
3. Семеняко А.В., Письменный Е.Н. Течение на поверхности плоско-овальных труб с поперечным оребрением // Труды XVII школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. - 25-29 мая. - г. Жуковский, Россия. - 2009. - Т.2. - С. 132-135.
4. Письменный Е.Н., Рогачов В.А., Баранюк А.В., Семеняко А.В., Вознюк М.М. CFD-моделирование процессов теплобмена труб удобообтекаемой формы с неполным поперечным оребрением // Международный научно-исследовательский журнал. - 2014. - №1 (20) - С. 30-36.
5. Быстров Ю.А., Исаев С.А., Кудрявцев Н.А., Леонтьев А.И. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб - Санкт-Петербург: Судостроение, 2005. - 389 с.
6. Мочалин Е.В., Халатов А.А. Гидродинамика закрученного потока в ротационных фильтрах - Институт технической теплофизики НАН Украины. - Киев, 2010. - 428 с.
7. Краус А. Охлаждение электронного оборудования - Л.: «Энергия», 1971. - 246 с.
8. Эпик Э.Я. Проблемы прогнозирования и расчета верхнего теплового ламинарно-турбулентного перехода (проблемный доклад) // Труды V Минского международного форума по тепло-и массообмену, 24-28 мая 2004,-Минск.-2004.-10 с.
9. Сперроу Е., Кер Н. Влияние неравномерного распределения скорости на входе на турбулентный теплообмен и потери давления в плоско-паралельном канале прямоугольного сечения // Теплопередача - 1983 - т.105, №3 - С. 100-109.
Безенков НИ
Магистрант, Казахский агротехнический университет им. С.Сейфуллина, Казахстан ОСНОВНЫЕ МОМЕНТЫ ПРИ ПОСТРОЕНИИ СЕТЕЙ LTE
Аннотация
В статье рассмотрено - моменты, учитываемые при построении сетей LTE, обзор методов расчета зон покрытия, модели прогнозирования.
Ключевые слова: Телекоммуникации, LTE, радиопокрытие.
Bezenkov I.I
Undergraduate, S. Seifullin Kazakh agro technical university, Kazakhstan
HIGHLIGHTS IN LTE NETWORK CONSTRUCTION
Abstract
In article points to be, considering when building networks LTE, an overview of methods for calculating coverage, forecasting models.
Keywords: Telecommunications, LTE, radio coverage.
Телекоммуникационная отрасль является одной из наиболее быстро развивающихся отраслей современной экономики. Сотовая связь занимает в отрасли особое место. Сотовая связь в последние годы благодаря мощному толчку с своем развитии получила большое количество абонентов, услуги связи становятся все более доступными, скорость доступа в сетях увеличивается и в настоящее время доступна на большей населенной части страны. Процесс внедрения новых технологий идет постоянно, и абоненты уже привыкли к постоянному улучшению качества предоставляемых услуг.
78
