CC BY
16Статья поступила в редакцию 17.12.2016 г.
УДК 662.994: 536.12
О.П. Шураев, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» Д.И. Бевза, аспирант, ФГБОУ ВО «ВГУВТ» С.Н. Валиулин, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ГАЗА В КАНАЛАХ КОМПАКТНОГО КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА
Ключевые слова: температурное поле, поле скоростей, численное моделирование, котел-утилизатор, газодинамические потери
В статье продолжен анализ результатов численного моделирования движения продуктов сгорания топлива в каналах компактного котла-утилизатора. Шире использованы инструменты визуализации решения: построены температурные поля в новых плоскостях; приведены графики изменения скорости, температуры и давления вдоль характерных направлений в котле-утилизаторе.
Введение. Задача создания компактных котлов-утилизаторов (КУ) теплоты отработавших газов дизелей является весьма актуальной при проектировании теплоходов с надводными габаритами, позволяющими проходить под мостами р. Невы и Дона без их разводки. Если традиционная конструкция КУ предусматривает их вертикальное размещение в машинной шахте, то конструкция, разработанная специалистами ООО «Гидротермаль» и ФГБОУ ВО «ВГУВТ» (рис. 1) позволяет установить КУ под подволоком машинного помещения.
Рис. 1. Конструкция секционного котла-утилизатора: 1 - входной патрубок с диффузором; 2 - проточная область подвода теплоносителя; 3 - теплообменная секция; 4 - проточная область отвода теплоносителя; 5 - выходной патрубок; 6 - заслонка; 7 - перегородка
4 7 _5
КУ представляет собой секционный теплообменный аппарат 3 с перегородкой 7, разграничивающей проточные области горячего входного потока и охлажденного выходного, и байпасный канал, создаваемый, при необходимости, открытием заслонки 6. В котле-утилизаторе реализована схема двукратного перекрестного тока с оборотом охлаждающей воды в вертикальной плоскости.
В статье [1] описан подход к моделированию в вычислительном комплексе Flow Vision движения продуктов сгорания и теплообмена в КУ рассматриваемой конструкции и приведены некоторые результаты. Однако в рамках одной статьи невозможно отразить все многочисленные особенности расчета. К тому же, анализ результатов продолжается и дает новую пищу для размышлений.
Постановка задачи моделирования. Различные аспекты постановки задачи моделирования подробно описаны в статье [1]. Здесь же приведем только основные положения. Этапы подготовки расчетного задания соответствуют классической схеме численного моделирования теплового и гидродинамического полей: выбирается решатель соответствующей системы дифференциальных уравнений, и задаются условия однозначности.
Геометрическая модель, определяющая границы расчетной области при конечно-объемном моделировании движения газа, получена из трехмерной модели котла-утилизатора. Через формат VRML она передана в пакет Flow Vision. Все пространство, заполненное продуктами сгорания, представляет собой одну расчетную область, для которой установлена модель решения дифференциальных уравнений движения несжимаемой жидкости и переноса энергии. Для моделирования турбулентности использована стандартная k-s модель [2].
Условия однозначности заданы следующим образом:
- рабочая среда - газ, с теплофизическими свойствами воздуха, зависящими от температуры;
- начальная температура в газоходе 60°С;
- начальная скорость принята равной нулю во всем пространстве котла-утилизатора, за исключением специально оговоренных граничных условий;
- граничные условия (рис. 2):
1) на входе - скорость 10 м/с, температура 600°С;
2) на выходе - нулевое противодавление;
3) на поверхности теплообмена - температура 61°С, полученная в ходе предварительного расчета котла-утилизатора по модели со сосредоточенными параметрами;
Выход
Рис. 2. Схема задания граничных условий
поверхность шероховатая (логарифмическое распределение скорости в пограничном слое);
4) прочие поверхности - адиабатные, шероховатые.
Сетка в виде прямоугольных параллелепипедов в количестве 40x40x60 элементов с локальным измельчением на один уровень на поверхности трубок теплообменной секции. Количество ячеек составило 321,8 тыс., из них расчетных - 143,4 тыс.
Анализ температурного поля на выходе из теплообменной секции. В статье [1] отмечено, что температурное поле, формируемое путем вытеснения холодного газа, устанавливается во всех областях КУ к концу второй секунды. При этом изменение температуры газа в теплообменной секции соответствует экспоненциальному закону убывания, что полностью согласуется с теорией теплообменных аппаратов. Также установлено, что в продольном сечении в направлении осей труб температурное поле достаточно равномерно.
Но дальнейший анализ показал существенное различие температуры в зонах выходного канала. Основной причиной такой неравномерности является наличие обводных «паразитных» течений вдоль вертикальных стенок теплообменной секции. Температурные следы этих течений хорошо просматриваются на рис. 3. У самого выхода из теплообменной секции не принимавшие участия в теплоотдаче, а потому горячие, потоки газа располагаются вдоль боковых стенок (рис. 3, а). При повороте общего потока на 90° (до направления оси - z) горячие струи оказываются в верхней части проточной области отвода теплоносителя (рис. 3, б). В дальнейшем, горячие потоки газа отодвигаются более холодным возвратным течением от боковых стенок газохода и устремляются с противоположных бортов корпуса КУ к цилиндрическому выходному патрубку 5 (на рис. 1). При этом верхняя стенка газохода омывается в центре охлажденным газом, имеющим температуру порядка 300°С, а ближе к краям - горячим газом с температурой 350...370°С (рис. 3, в). Учитывая, что полуширина корпуса КУ составляет 0.375 м, градиент температуры у верхней стенки достигает 150...200 К/м, что может привести к появлению дефектов стенки, вызванных термическими напряжениями. Лучшим, на наш взгляд, решением указанной проблемы может быть установка вдоль боковых стенок теплообменной секции вытеснителей, повторяющих форму трубного пучка.
в)
Рис. 3. Поле температур в выходном канале на расстоянии: а) 0.160 м, б) 0.220 м, в) 0.250 м от горизонтальной плоскости симметрии корпуса котла-утилизатора
Изменение температуры газа по направлению потока в теплообменной секции. Flow Vision позволяет строить графики вдоль произвольно заданной линии с возможностью записи результатов в файл для последующего анализа, например, в MS Excel. Для рассмотрения изменения температуры газа по всему объему теплообменной секции, эта секция была пронизана набором линий вдоль характерных направлений в КУ. Вертикальные линии, совпадающие по направлению с осью x модели, приведены на рис. 4. Для их отождествления с файлами вывода результатов все линии были пронумерованы, как это показано на рис. 4. Группы линий 1, 4, 7 и 3, 6, 9 проведены на расстоянии 0.05 м от передней и задней трубных досок соответственно, а линии 2, 5, 8 - в поперечном срединном сечении теплообменной секции. Группы линий 1, 2, 3 и 7, 8, 9 отступают на 0.05 м от боковых стенок, в то время как линии 4, 5, 6 лежат в вертикальной плоскости симметрии секции КУ.
Рис. 4. Расположение линий (с указанием их номеров) для контроля изменения температуры в теплообменной секции
На рис. 5 приведены графики изменения температуры газа по направлению потока в теплообменной секции. В отсутствии тепловых потерь через стенки проточной области до теплообменной секции устанавливается температура, равная заданной входной температуре 600°С. В самой секции газ охлаждается неодинаково: в первой её половине (в первых 8 рядах) различие между максимальной и минимальной температурой при одинаковой координате х составляет около 30°С, возрастая до 50°С к середине трубного пучка. Во второй половине разброс температуры достигает 55...60°С. К выходу из теплообменной секции газ остывает до температуры около 300°С. Однако, как следует из графика, далее температура газа повышается, что объясняется влиянием обводных «паразитных» течений, описанных выше. Также видно, что в области около внешней трубной доски снижение температуры меньше - эта часть теплообменной секции работает хуже.
250
-0 3 -0.2 -0 1 0 0 1 0.2 0 3
Коа рднната к, м
Рис. 5. Изменение температуры в теплообменной секции вдоль линий, показанных на рис. 4
Таким образом, установлено, что имеет место некоторая неравномерность распределения температуры на выходе из теплообменной секции, причем, не в продольном направлении, как это можно было бы ожидать, исходя из конструкции КУ, а в направлении, поперечном осям труб теплообменной секции. Основная причина такой неравномерности - существование обводных «паразитных» течений у боковых стенок теплообменной секции, влияющих на температурное поле в выходном канале КУ.
Распределение температуры и скорости на входе и выходе теплообменной секции. Для сравнения результатов численного моделирования представляют интерес распределения скорости и температуры на входе и выходе теплообменной секции. Для построения графиков в вертикальной плоскости симметрии КУ проведены горизонтальные линии в направлении, обратном оси z на рис. 2-4: на входе в теплообмен-ную секцию (x = -0.16 м) и выходе из нее (x = 0.16 м). На рис. 6, а показаны графики температуры и скорости (полной и х-компоненты) во входном и выходном сечениях теплообменной секции КУ. Анализ графиков показывает, что распределение температуры на входе можно признать равномерным, за исключением зоны около внешней трубной доски, где сохранился тонкий слой холодного газа. На выходе из теплооб-менной секции различие температуры составляет всего 5...7°С, и лишь вблизи внешней и внутренней трубных досок она меньше средней на 22...25°С.
б)
Рис. 6. Температура и скорость на входе и выходе теплообменной секции (а) и векторное поле скоростей в ней (б)
Из-за сужения в проточной области подвода газа (см. рис. 1) вектор скорости перед теплообменной секцией направлен под углом 25...30° к оси труб (рис. 6, б). Поэтому в расчетах следует принимать во внимание вертикальную компоненту скорости (х-компоненту). Различие значений вертикальной компоненты скорости у внешней (г = 0) и внутренней (г = 0.6 м) трубных досок более чем двукратно. В теплообменной секции поток, поворачиваясь на 90°, приводится до перпендикулярного к оси труб, а затем, на выходе из секции, еще раз поворачивается на 90°. То есть угол атаки трубного пучка теплообменной секции изменяется следующим образом: сначала увеличивается от 25...30° до 90°, а затем уменьшается до 60°. В теплообменной секции происходит перераспределение эпюры скорости: на выходе из нее максимальные значения скорости меньше, чем на входе, а отношение модуля скорости к ее х-компоненте не превышает 1.33 раза у внутренней трубной доски и практически равно 1 у внешней. Такой сложный характер обтекания трубного пучка ставит под сомнение возможность использования для расчета теплоотдачи известных в инженерной практике уравнений подобия [3].
Указанные графики позволяют сформировать исходные данные (табл. 1), которые можно будет использовать в математических моделях теплового расчета теплообмен-ных аппаратов как с сосредоточенными параметрами [4-7], так и в предложенной в статье [1] модели со слабо распределенными параметрами (СРП на рис. 6, а).
Таблица 1
Исходные данные для теплового расчета котла-утилизатора
Блок Координата, м Скорость, м/с Температура, °С
1 0.05 1.95 598.5
2 0.15 2.05 599.0
3 0.25 2.15 599.3
4 0.35 2.40 599.5
5 0.45 3.00 599.7
6 0.55 4.00 600.0
Ожидается, что модель со слабо распределенными параметрами позволит учесть в инженерном расчете влияние неравномерности распределения скорости и/или температуры на входе в теплообменную секцию на теплоотдачу в ней.
Анализ изменения давления в котле-утилизаторе. Так как в задачах вычислительной гидродинамики определение поля давления является обязательной процедурой, то имеет смысл проанализировать изменение давления в каналах КУ. Поскольку на выходе из КУ задано нулевое противодавление, то подобранная в ходе моделирования величина давления на входе будет равняться газодинамическому сопротивлению в нем. А построенное поле давления позволяет перейти к градиентам давления, что по своей сути есть карта газодинамических сопротивлений. В этом аспекте представляет интерес перепад давления в теплообменной секции - это будет ее газодинамическое сопротивление.
На рис. 7, а показано поле давления, построенное в продольной плоскости симметрии. Из рисунка следует, что основное газодинамическое сопротивление создается именно в теплообменной секции. Также довольно значительны перепады давления при переходе от теплообменной секции к проточной области отвода теплоносителя и в зоне входа в выходной патрубок. И если сопротивление теплообменной секции практически никак нельзя уменьшить, то две оставшиеся области вполне могут быть оптимизированы в дальнейшем с точки зрения снижения газодинамических потерь.
Для численной оценки величины газодинамического сопротивления воспользуемся построенной линией 5 (см. рис. 4), и на ней создадим график (рис. 7, б) изменения
давления в зависимости от координаты х. Из графика следует, что газодинамическое сопротивление теплообменной секции составляет 150 Па.
а)
« 250 -
§ и
_
-
= 150 ■
§
£
' 100 —
—
3
-0 3 -0 .2 -0 1 Коордн нэта к, 0 м 1 0 2 0
б)
Рис. 7. Поле давления в котле-утилизаторе (а) и график изменения давления по потоку в теплообменной секции (б)
Выводы
Продолжение анализа результатов численного моделирования котла-утилизатора во Flow Vision позволило установить наличие неравномерности изменения температуры газа в теплообменной секции, которое обусловлено различием входной скорости при практически одинаковой входной температуре. Обнаружено существенное влияние обводных «паразитных» течений на температурное поле в выходном канале котла-утилизатора. Проанализировано поле давления и установлены области, в которых создается значительное газодинамическое сопротивление. Определена величина газодинамического сопротивления теплообменной секции. Описанный в статье сложный характер обтекания трубного пучка ставит под сомнение возможность использования для теплового расчета котлов-утилизаторов данного типа известных в инженерной практике уравнений подобия.
Указанные результаты послужат исходными данными для верификации моделей инженерного расчета теплообменных аппаратов и, в частности, котлов-утилизаторов.
Список литературы:
[1] Шураев О.П. Исследование полей скорости и температуры в каналах котла-утилизатора методом численного моделирования / О.П. Шураев, Д.И. Бевза, С.Н. Валиулин // Вестник АГТУ. Сер.: Морская техника и технология. - 2016. - № 3. - С. 49-56.
[2] Wilcox D.C. Turbulence modeling for CFD. / D. C. Wilcox // DCW Industries, Inc., 1994. - 460 p.
[3] Селиверстов В.М. Термодинамика, теплопередача и теплообменные аппараты. / В.М. Селиверстов, П.И. Бажан // М.: Транспорт, 1988. - 288 с.
[4] Валиулин С.Н. Математическая модель теплообменного аппарата серии ВВПИ / С.Н. Валиулин, О.П. Шураев // Вестн. Волж. гос. акад. водного транспорта. - 2003. - N° 5. - С. 149-154.
[5] Шураев О.П. Математическая модель кожухотрубного теплообменного аппарата и ее применения. / О. П. Шураев // Новые информационные технологии. Сб. тр. X Всероссийской на-учн.-техн. конф. МГУПИ. - 2007. - С. 165-170.
[6] Шураев О.П. Математическая модель судовых теплообменных аппаратов и ее применение в имитационном моделировании систем дизеля / О.П. Шураев // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2010. - №1. - С. 178-182.
[7] Шураев О.П. Математическая модель и проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов для судовых энергетических установок / О.П. Шураев, В.Г. Пискулин // Вестник АГТУ. Сер.: Морская техника и технология. - 2013. - № 2. - С. 169-173.
THE RESULTS OF NUMERICAL MODELING OF GAS DYNAMICS IN THE DUCTS OF A COMPACT EXHAUST BOILER
O.P. Shurayev, D.I. Bevza, S.N. Valiulin
Keywords: temperature field, velocity field, numerical modeling, exhaust boiler, gas dynamics losses
The continuation of the analysis of the numerical modeling results of gas dynamics in the ducts of the compact exhaust boiler is set out in the article. The instruments of solution visualization are applied on a larger scale: the temperature fields are designed on new platforms; the graphs of the speed, temperature and pressure changing along the exhaust boiler's relevant directions are given.
Статья поступила в редакцию 10.01.2017 г.
