CC BY
76
УДК 658.567
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В РАЗНОТЕМПЕРАТУРНОМ КОНДЕНСАЦИОННОМ ФИЛЬТРЕ
И.И. Зварыкин, П.С. Блинов, П.А. Солженикин, В.Г. Стогней
Разработана компьютерная модель разнотемпературного конденсационного фильтра, проведен анализ распределения температурных полей в камере и поля скоростей. Проведено сравнение нескольких режимов работы разнотемпературного конденсационного фильтра
Ключевые слова: моделирование, гидродинамика, теплообмен, конденсация, фильтр
Проведение экспериментов для выявления закономерностей является наиболее приемлемым способом по определению зависимостей, но сопряжено с большими затратами времени, большой трудоемкостью и затратами энергоресурсов. Так же, экспериментальное исследование не всегда позволяет наблюдать процессы, происходящие непосредственно во внутренней области
разнотемпературной камеры. Компьютерное моделирование течения газового потока позволяет наглядно увидеть картину распределения скоростей и температур в разнотемпературной камере, что практически не осуществимо в условиях
эксперимента.
Распределение температур
Анализ распределения температурных полей в разнотемпературной камере производился методом конечных элементов. Метод конечных элементов (МКЭ) — численный метод решения
дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики. Метод широко используется для решения задач механики деформируемого твёрдого тела (сопромата), теплообмена, гидродинамики и электродинамики.
Суть метода заключается в следующем: область, в которой ищется решение
дифференциальных уравнений, разбивается на конечное количество подобластей (элементов). В каждом из элементов произвольно выбирается вид аппроксимирующей функции. В простейшем случае это полином первой степени. Вне своего элемента аппроксимирующая функция равна нулю. Значения функций на границах элементов (узлах) является решением задачи и заранее неизвестны. Коэффициенты аппроксимирующих функций обычно ищутся из условия равенства значения соседних функций на границах между элементами (в узлах). Затем эти коэффициенты выражаются через значения функций в узлах элементов.
Зварыкин Илья Иванович - ВГТУ, аспирант, тел. 8 (473) 252-53-54
Блинов Павел Сергеевич - ВГТУ, инженер НИС, тел. 8 (473) 248-56-70
Солженикин Павел Анатольевич - ВГТУ, доцент, тел. 89204062821
Стогней Владимир Григорьевич - ВГТУ, Заслуженный работник ВШ, профессор, тел. 8 (473) 252-53-54
Составляется система линейных алгебраических уравнений. Количество уравнений равно количеству неизвестных значений в узлах, на которых ищется решение исходной системы, прямо
пропорционально количеству элементов и ограничивается только возможностями ЭВМ. Так как каждый из элементов связан с ограниченным количеством соседних, система линейных алгебраических уравне ний имеет разрежённый вид, что существенно упрощает её решение.
С точки зрения вычислительной математики, идея метода конечных элементов заключается в том, что минимизация функционала вариационной задачи осуществляется на совокупности функций, каждая из которых определена на своей подобласти, для численного анализа системы позволяет рассматривать его как одну из конкретных ветвей диакоптики — общего метода исследования систем путём их расчленения.
Исходные данные для теплового расчета: -Коэффициент теплопередачи стали к = 50 Вт/м2-К; -Удельная теплоемкость стали С = 500 Дж/(кг-°С); -Коэффициент теплоотдачи сталь -вода а1 =
800 Вт/м2-К;
-Коэффициент теплоотдачи сталь -воздух а2 = 20 Вт/м2-К;
Температуры поверхностей принимаются по опыту №1, проведенному на экспериментальной установке.
Параметр Значение
Параметры атмосферного воздуха
Опыт 1 Опыт 2
Давление, кПа 99,8 100,45
Влажность, % 24,3 21,8
Температура, °С 22,8 21,8
Температура воды, охлаждающей холодную стенку, °С
На входе 11,5 12
На выходе 14,2 15
Камера
Давление сжатого воздуха, кгс/см2 0,9 0,9
Расход сжатого воздуха, м3/ч 1 4
Температура холодной стенки, °С 29,4 25,75
Температура горячей стенки, °С 75 75
Температура воды, нагреваемой горячую стенку , °С 80 80
Твердотельная модель разнотемпературной камеры с распределением температур показана на рис. 1 и рис. 2.
Рис.1. Распределение температур в корпусе камеры
Рис. 2. Распределение температур в корпусе камеры (разрез)
Распределение скоростей
Компьютерное моделирование течения газового потока позволяет наглядно увидеть картину распределения скоростей в разнотемпературной камере, что практически не осуществимо в условиях эксперимента.
Для анализа распределения скоростей выделяется определяющее сечение по центру разнотемпературного канала.
Результаты анализ распределения температур на основе двух опытов с различными режимами течения представлены на рис. 3 и рис. 4.
Проведенные расчеты показали, что при увеличении скорости потока воздуха и числа Рейнольдса эффективность фильтра увеличивается. Это можно объяснить, тем, что разнотемпературный конденсационный фильтр более эффективно очищает газовый поток от жидкостных аэрозольных включений в режиме начального участка гидродинамической стабилизации в отличие от работы установки в режиме развитой гидродинамической стабилизации.
Из рис. 3 видно, что поток на протяжении почти всей камеры является стабильным, ламинарным, что соответствует не столь высокой эффективности.
Рис. 3. Распределение скоростей в первом опыте
Рис. 4. Распределение скоростей во втором опыте
На рис. 4 поток не имеет стабильности по всей длине камеры, что соответствует более эффективному улавливанию аэрозольных частиц.
Литература
1. Амелин А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара, Изд. 3-е, доп. и перераб., М. «Химия», 1972 - 304 с.
2. Солженикин П. А. Моделирование
тепломассообмена и совершенствование конструкции аппарата для очистки промышленных газов от аэрозольных включений // Дис. канд. техн. наук / ВГТУ. -Воронеж, 200S. 179 с.
Воронежский государственный технический университет
SIMULATION OF HYDRODYNAMICS AND HEAT TRANSFER IN THE DIFFERENT TEMPERATURE CONDENSATION FILTER I.I. Zvarikin, P.S. Blinov, P.A. Solzhenikin, V.G. Stogney
The computer model of the experimental setup, the main hub, which is different temperature condensation filter, analyze the distribution of temperature fields in the chamber and the velocity field. A comparison of several different temperature modes condensation filter
Key words: modeling, fluid dynamics, heat transfer, condensation, the filter
