CC BY
53
УДК 553.601.1:536.224
ФИЗИЧЕСКОЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ ЦИКЛОННОГО НАГРЕВАТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ ВВОДОМ ГАЗА
Засл. деятель науки и техн. России, докт. техн. наук, проф. САБУРОВ Э. Н.,
асп. МАЛЬЦЕВ А. Н.
Архангельский государственный технический университет
Циклонные нагревательные устройства, обладающие большими возможностями значительной интенсификации конвективного теплообмена, снижения тепловой инерционности и автоматизации процесса нагрева, получили широкое распространение в промышленности [1-3]. Поэтому представляет несомненный интерес дальнейшее исследование их аэродинамики, определяющей технологические особенности и высокую интенсивность рабочего процесса. В связи с развитием компьютерных технологий для исследований аэродинамики циклонных устройств наряду с физическим моделированием перспективным является использование численного.
Физический эксперимент, результат которого приведен в работе, выполнен на модели циклонного нагревательного устройства (циклонной камеры), имеющей внутренний диаметр Ок = 2Як = 310 мм и длину Ьк = = 580 мм. Внутренняя поверхность рабочего объема камеры являлась технически гладкой с шероховатостью обычного стального проката. Подвод воздуха в камеру осуществлялся тангенциально с диаметрально противоположных сторон входными каналами прямоугольного поперечного сечения - шлицами с внутренними размерами 20x44 мм, расположенными практически равномерно (в шахматном порядке) по ее высоте. Оси ближайших к торцам рабочего объема шлицев находились на расстоянии 2вх от его глухого торца, равном 48 и 554 мм (2 определялось по координате, совпадающей с осью рабочего объема). Безразмерные координаты местоположения шлицев 2вх = 2вх/ Ок, 2вх равнялись с одной стороны камеры 0,442; 0,884; 1,335; 1,72, а с другой - 0,151; 0,536; 0,987; 1,429. Такое расположение шлицев в целом создавало распределенную систему ввода воздуха. В опытах относительная площадь входа /вх = 4/вх/%Ок2 = 0,936, а относительная высота шлицев Ивх = Ивх /Вк = 0,128. Отвод газа из камеры производился через обычный плоский пережим с относительным диаметром выходного отверстия йвых = ^вых/^к, равным 0,2-0,7. Воздух, выходящий из камеры, выбрасывался в атмосферу. Его расход измеряли нормальным соплом, температуру - ртутным термометром с ценой деления 1 °С.
Во всех опытах подробное исследование полей скоростей и давлений производили предварительно протарированными пятиканальными шаровыми зондами с диаметром шарика 5 мм, а в отдельных опытах - цилиндрическим трехканальным зондом с диметром насадка 2,6 мм. Сечения замеров имели относительные продольные координаты 2С = 2с/^к, рав-
ные 0,226; 0,884 и 1,53, и находились в диаметральной плоскости, перпендикулярной тангенциальным шлицам. Вектор полной скорости, определяемой в каждой точке по радиусу камеры через 5 мм, раскладывался на три составляющие: тангенциальную w^ осевую wz и радиальную wr. Перемещение зонда производили координатниками с точностью определения угла вектора полной скорости по отношению к горизонтали, равной 1°, и перемещения зонда в радиальном направлении 0,5 мм.
Численный эксперимент выполнен при использовании комплекса Ansys® CFD code CFX® 10.0. В качестве базовой модели турбулентности использовали модель k-ю, которая представляет собой двухпараметриче-скую математическую модель, основанную на теории турбулентной вязкости [4]. Первоначально выполненные численные исследования с применением моделей Zero Equation (в основу модели положена теория пути смешения Прандтля) и k-г (двухпараметрическая модель, состоящая из системы уравнений турбулентной кинетической энергии в потоке и вихревой диссипации) показали предпочтительность использования модели k-ю.
На рис. 1 выполнено сопоставление опытных данных (точки) с расчетными распределениями (линии) безразмерной тангенциальной составляющей скорости потока w<p (r) (w<p = w^w^, wm - среднерасходная скорость
потока в шлицах; r = r/RK, r - текущий радиус). Представленные данные позволяют отметить, что результаты физического и численного экспериментов по уровню тангенциальных скоростей удовлетворительно соответствуют друг другу в периферийной части рабочего объема камеры (при r > 0,6). Расчетные и соответствующие опытные распределения в окрестности заготовки различаются более существенно. Вероятно, это обусловлено принятыми расчетной геометрической схемой циклонной камеры и моделью турбулентности циклонного потока.
ф 1,8 -
□□
J& u
о *
□ 4 & •P / 1
i □
о.
\ ®t
2 \
3
0,4
"ф
1,4 -
0 ■
5.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.S 0.9 у 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 r 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,3 0 ,9 r 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,6 0 ,Э r
Рис. 1. Распределения опытных и расчетных значений м>ф при различных ^вых и zc.
□ - 1 - zc = 1,53; [>-2 - 0,884; ◊ - 3 - 0,226
Воздух в камеру вводился равномерно распределенными по высоте восьмью тангенциальными струями, по четыре с диаметрально противоположных сторон. Струи взаимодействуют между собой и введенными в рабочий объем уже закрученными газами, образуют сложное поле скоростей, которое, вероятно, может быть рассчитано лишь при более сложной модели турбулентности (LES, DES и др.), что потребует в свою очередь применения многопроцессорных кластерных систем вычисления и значительного увеличения времени расчета. В то же время следует отметить, что полученные расчетные и опытные данные правильно описывают характерные особенности влияния параметра ёвых на распределения wф в циклонной
камере с загруженным рабочим объемом [1-3]. С увеличением диаметра выходного отверстия как опытные, так и расчетные безразмерные значения максимальной вращательной составляющей скорости потока снижаются, положение максимума wv смещается в область больших значений r .
Следует заметить, что в более простых общих расчетных схемах геометрии циклонной камеры, например с локальным двусторонним вводом [5-6], а также для циклонных сепараторов [7, 8] совпадение расчетных данных, полученных с использованием пакета гидродинамического моделирования CFX® 10.0 (при применении той же двухпараметрической модели турбулентности £-ю), с результатами физического эксперимента по исследованию распределений wv было значительно лучшим.
Более удачное совпадение расчетных и опытных данных наблюдалось для осевой составляющей скорости потока wz. На рис. 2 приведены ее безразмерные величины wz = wJwBX. Положительные значения wz соответствуют осевому направлению движения потока от глухого торца камеры к выходному.
Рис. 2. Распределения опытных и расчетных значений wz при различных dEых и zc: □ - 1 - zc = 1,53; [>-2 - 0,884; ◊ - 3 - 0,226
На данном этапе компьютерного моделирования аэродинамики ци-клонно-вихревых камер одним из его важнейших достоинств является воз-
можность исследования вторичных течении в циклонном потоке, его структуры. Численное моделирование позволяет получить трехмерное поле скоростей - объемную картину течения. Что дает возможность выполнить анализ циклонного потока, рассматривая поле скоростеи или проекции вектора полной скорости в различных плоскостях и областях течения.
На рис. 3 приведены расчетные проекции вектора полной скорости потока на диаметральную плоскость, перпендикулярную входным шлицам, а на рис. 4 - расчетные проекции траекторий частиц потока, ограничивающие потоки и вихревые области в рабочем объеме циклонного нагревательного устройства, на ту же плоскость. На рис. 3 и 4 показаны также контуры заготовки и поперечного сечения входных шлицев.
а б в г
4
Рис. 3. Схемы осевых иррадиальных движений потока при различных значениях <вых:
Рис. 4. Траектории движения циклонного потока при различных значениях <В1
а - <вых = 0,3; б - 0,4; в - 0,5; г - 0,7
б
а
в
г
а - <вых = 0,3; б - 0,4; в - 0,5; г - 0,7
Представленные данные позволяют отметить, что поле скоростей в рабочем объеме циклонного устройства отличается сложностью и простран-ственностью, обилием циркуляционных и вихревых зон, предопределяющих интенсивное перемешивание газов. В связи с общим смещением шлицев одной стороны рабочего объема по сравнению с другой (диаметрально противоположной) к выходному торцу рабочего объема наблюдается некоторое нарушение осевой симметрии вторичных течений как в периферийной зоне (у боковой поверхности рабочего объема), так и в центральной (околозаготовочной). Общая картина вторичных течений при <вых = = 0,3-0,5 практически сохраняется. При <вых = 0,7 наблюдается нарушение устойчивости и проточности течения в окрестности заготовки, появляются вытянутые в продольном направлении циркуляционные зоны, оттесняющие выходной вихрь от ее поверхности. Истечение газов из камеры в этом
случае происходит по кольцу, имеющему внутренний диаметр, несколько больший, чем при меньших dBbIX. Схема течения потока в нижней части рабочего объема, примыкающей к глухому торцу, в меньшей степени зависит от диаметра выходного отверстия камеры.
В Ы В О Д Ы
1. Программный комплекс CFX® 10.0 может быть использован для определения аэродинамических характеристик циклонно-вихревых нагревательных устройств и дальнейшего совершенствования методики их аэродинамического расчета. Однако необходимая точность расчетов при применяемых в настоящее время моделях турбулентности к-œ, к-е и RSM, вероятно, может быть достигнута лишь в определенных диапазонах геометрических и режимных характеристик нагревательных устройств. Интервал диапазонов зависит от их технологического назначения и может быть определен сопоставлением результатов численного и физического экспериментов.
2. Численный эксперимент с использованием CFX® 10.0 позволяет исследовать структуру вторичных течений циклонного потока, что часто сложно осуществить применяемыми в настоящее время методами физического эксперимента.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. С а б у р о в, Э. Н. Циклонные нагревательные устройства с интенсифицированным конвективным теплообменом / Э. Н. Сабуров. - Архангельск: Арханг. гос. техн. ун-т; Сев.-Зап. кн. из-во, 1995. - 341 с.
2. С а б у р о в, Э. Н. Теория и практика циклонных сепараторов, топок и печей / Э. Н. Сабуров, С. В. Карпов; под ред. Э. Н. Сабурова. - Архангельск: Изд-во Арханг. гос. техн. ун-та, 2000. - 568 с.
3. С а б у р о в, Э. Н. Аэродинамика и конвективный теплообмен в циклонных нагревательных устройствах / Э. Н. Сабуров. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1982. - 240 с.
4. ANSYS® CFX®- 10.0TM Users Guide.
5. С а б у р о в, Э. Н. Численное исследование аэродинамики и вихревой структуры потока циклонно-вихревой камеры с разносторонним вводом-выводом газов / Э. Н. Сабуров, А. Н. Мальцев // Наука - Северному региону: сб. - Вып. 76. - Архангельск, 2008. -С. 142-157.
6. О с т а ш е в, С. И. Результаты численного моделирования аэродинамики циклонных секционных нагревательных устройств с поперечной подачей заготовок / С. И. Осташев, Э. Н. Сабуров, А. Н. Мальцев // Вестник Арханг. гос. техн. ун-та. - Сер. Энергетика. -Вып. 63. - Архангельск: Изд-во Арханг. гос. техн. ун-та, 2006. - 142 с.
7. H o e k s t r a, A. J. An experimental and numerical study of turbulent swirling flow in gas cyclones [текст] / A. J. Hoekstra, J. J. Derksen, Van Den Akker // Chem. Eng. Sci.- 1999. -№ 54. - P. 2055-2065.
8. G r i f f i t h s, W. D. Computational Fluid Dynamics (CFD) and Empirical Modeling of the Performance of a Number of Cyclone Samplers / W. D. Griffiths, F. Boysan // Journal of Aerosol Science. - 1996. - № 2. - P. 281-304.
Представлена кафедрой
теплотехники № 6 Поступила 20.04.2010
