Численное моделирование и разработка комплекса программ исследования теплообмена и ламинарного течения в регулярных продольнооребренных коридорных структурах

В шестой главе представлены результаты численного моделирования обтекания и теплообмена продольно оребренных регулярных коридорных пучках круглых труб поперечным потоком жидкости в симметричной и асимметричной формах приводится сравнительная эффективность решений для гладких и оребренных трубных пучков.

При конструировании ТА и их элементов необходимо добиться максимального уровня теплосъема развитой поверхности теплообмена при минимальных затратах мощности на перемещение теплоносителя через ТА или устройство. В связи с этим параметр, определяющий эффективность работы ТА, скажем з , должны входить средние по периметру трубы число Нуссельта и число Эйлера. Для этого з выразим простым соотношением(исходя из физического толкования задачи течения и теплообмена)

. (15)

где p и q - вещественные числа. Кроме (15) возможны и другие более сложные функциональные зависимости. Этому вопросу и его освещению посвящены результаты работ А.И. Мицкевича, В.М. Антуфьева, В.Ф. Юдина, М.В. Кирпичева.

Здесь ограничимся рассмотрением (15), предложенном автором данной работы для проведения предварительного качественного анализа эффективности продольного оребрения. Числа p и q должны зависеть от ряда факторов. Учитывая, что все предыдущие расчеты проведены при постоянном значении числа Прандтля Pr = 0,73 (отсюда следует подобие теплового и динамического пограничных слоев, что отражено в трудах Л.И. Седова, Б.С. Петухова, Л.Г. Генина, Л.Г. Лойцянского) примем p=q=1 зависимость (15) примет вид

з = Nu_m / Eu, (16)

При решении проблемы сравнительной оценки поверхности нагрева М.В. Кирпичев предложил использовать для оценки так называемый энергетический коэффициент. В настоящей работе предлагается делать заключение об эффективности поверхности нагрева с помощью геометрического смысла, построив прежде корреляционные зависимости для сравниваемых поверхностей.

Для заданного режима течения и данной компоновки труб по графикам Nu = f (Re) найти отношение площадей , которое даст ответ о наивыгоднейшей поверхности нагрева. Так имея зависимости Nu = S₁ (Re) и Nu = S₂ (Re), коэффициент з эффективности трубного пучка определим соотношением :

з = S₁ (Re) / S₂ (Re) , (17)

где S₁ и S₂ - площади фигур , ограниченные зависимостями S₁ (Re) и S₂ (Re).

Таким образом, в общем случае

з =d Re , (18)

где Re 0 и Re k - начальное и конечное значение числа Рейнольдса рассматриваемого режима течения.

Проведенные расчетные данные для коэффициента з для гладкотрубного и продольно оребренных пучков труб собраны в таблицу. Из данных таблицы сравнительной эффективности пучка 2,0 х 2,0 при Pr = 0,73 видно, что во всем диапазоне расчетных чисел Рейнольдса можно подобрать вариант оребрения пучка труб, при котором он будет эффективен, чем гладкотрубный пучок. В частности, при Re = 40 … 250 симметрично оребренный пучок с четырьмя ребрами дает выигрыш в эффективности в сравнении с гладкотрубным в среднем на 30%. В тоже время при числе Re = 500 наиболее эффективном является вариант ассимметричного оребрения (выигрыш 14%); а продольно оребренный пучок с восьмью ребрами дает выигрыш 50%, а дальнейшее оребрение приводит к падению по эффективности (начиная с варианта десяти ребер).

На рис. 16.а - представлены графики распределения коэффициента трения для четырех и восьми ребер, расположенных на поверхности трубы. Характерной особенностью распределения трения является факт наличия угловых точек в местах расположения ребер (здесь касательная резко меняет положение кривой распределения трения ).

На рис. 16.б - представлены распределения коэффициентов давления p_w на развитой поверхности для двух вариантов оребрения. Для случая четырех ребер наблюдается резкое падение давления по достижении абсолютного максимума, который с ростом Re смещается к передней критической точке.

В тоже время для второго варианта оребрения характерно резкое падение давления в местах расположения ребер на поверхности трубы, причем видно, что месторасположение абсолютного максимума давления p_w зависит от числа Re. Зависимости коэффициента трения связаны с коэффициентом давления и геометрически.

На рис. 17.а - б - показано распределение числа Нуссельта для обоих вариантов оребрения. Отмечается, что наибольшее различие теплоотдачи оребренного и гладкотрубного пучков связано с наличием при оребрении большого числа локальных максимумов теплоотдачи (по числу ребер). Симметричное продольное оребрение приводит к более равномерной теплоотдаче поверхности трубы.

В этой главе представлены также интегральные характеристики течения и теплообмена для продольного оребрения для обоих вариантов симметричного оребрения.

В итоге делаются выводы, из которых следует отметить, что:

- продольное оребрение является перспективным способом увеличения тепловой активности ТА при неизменной мощности на перемещение теплоносителя;

- вопрос о выборе оребрения, его геометрических параметров, количестве ребер должен решаться в конкретном случае, исходя из конструктивных особенностей ТА;

- вычислительные алгоритмы для продольно оребренных пучков в ламинарном диапазоне чисел Re как для стационарной, так и нестационарной постановке задачи позволяют эффективно получать информацию по локальным и интегральным характеристикам течения и теплообмена;

- снятие условий симметрии течения и теплообмена приводит к сближению расчетных результатов и экспериментальных данных;

- следствием асимметрии распределения коэффициентов давления и трения на поверхности несущей трубы является возникновение помимо лобового сопротивления и поперечной нагрузки - подъемной силы, о чем отмечено в работе А.И. Олейникова и А.В. Костенко;

- даны рекомендации для практики проектирования ТА использовать асимметричное и отказ от симметричного оребрения;

- вычислительные комплексы программ «Коридор», «Трубные пучки» использовать для перехода к автоматизированному проектированию ТА и их элементов.

В седьмой главе представлено использование результатов численного моделирования течения и теплообмена в продольно оребренных регулярных коридорных пучках труб кругового сечения и метода «среднего» Фурье в практике экспериментальных исследований, в задачах фильтрации, исследовании параметров центробежных малогабаритных насосов (МЦН), использующихся в аэрокосмической технике; литейного производства; сушильных установках; крупногабаритных переносных тепловых устройствах для сушки зерновой продукции; постройке преград через водные поверхности; использовании расчетных данных для создания аппаратов очистки нефтепереработки с целью сохранения экологически чистого пространства и обеспечения жизнедеятельности людей.

На рисунке 21 приведена процедура построения картин течения переменной , в виде этапов и систематизации точек изолинии = 0, отличающейся от предложенной П. Роучем в его книге «Вычислительная гидродинамика», введя понятие нормы сеточной ячейки.

Рис. 21. Процедура построения картин течения для переменной .

ВЫВОДЫ

В результате исследований, проведенных в нестоящей работе:

1. Разработанный вычислительный алгоритм и комплекс программ «Коридор», «Трубные пучки», «Корреляция Эйлер-Нуссельт»для исследования и расчета течения и теплообмена в регулярных коридорных структурах пучков труб, позволяет эффективно получать достоверную и надежную информацию по интегральным и локальным характеристикам течения и теплообмена во всем расчетном диапазоне изменения числа Рейнольдса (Re = 40…500).

2. Расчеты обтекания продольно оребренных пучков в стационарной постановке при наличии стабилизирующей поток плоскости симметрии показали независимость результатов от степени измельчения расчетной полярной сетки.

3. Использование результатов течения и теплообмена в исследованных пучках позволило придти к методу «среднего» Фурье, позволяющем экономно и эффективно получать расчетную информацию и в других науках.

4. Исследование течения и теплообмена с помощью метода «среднего» Фурье в мембранных пучках труб показало хорошее согласование расчетных характеристик с соответствующими экспериментальными данными других авторов.

5. Сравнение результатов расчета по обтеканию и теплоотдачи продольно оребренных и гладкотрубных регулярных коридорных пучков в отсутствии условий симметрии говорит о реализации симметричной и асимметричной структуры течения при одном и том же числе Рейнольдса (симметричный характер является неустойчивым и нарушается введением в расчетные поля больших искусственно заданных возмущений, которые в практике всегда существуют).

6. Показано, что снятия условий симметрии течения теплообмена приводит к сближению расчетных и экспериментальных данных.

7. Выявлено, что следствием асимметричного оребрения является возникновение помимо лобового сопротивления и поперечной нагрузки - подъемной силы.

8. Предложены практические выводы о возможностях интенсификации теплообменных процессов в регулярных структурах ТА за счет асимметричного оребрения, позволяющего достичь значения теплосъема на 30% больше.

9. Предложен метод для установления коэффициента сравнительной эффективности пучков труб и получена простая в употреблении формула расчета.

10. Предложено использовать результаты численного расчета в практике проектирования ТА, проблемы фильтрации, литейном деле, аэрокосмической технике и другие.

11. Использовать результаты численных экспериментов при автоматизированном проектировании ТА и их устройств.

В целом, в диссертационной работе решена важная проблема неизотермического течения и теплообмена в регулярных структурах ТА и их элементах на основе ее анализа путем создания эффективных вычислительных алгоритмов и комплексов программ для ЭВМ, используя нерегулярную полярную сетку.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНО В СТАТЬЯХ

1. Костенко А.В. Построение корреляционных зависимостей с использованием рядов и комплексного преобразования Фурье в исследовании течения и теплообмена в круговых пучках труб //Проблемы машиност. и автоматизации. Междунар. журнал, № 2, - 2007. - С. 103-107.

2. Костенко А.В., Гусаков А.А. О теореме запаздывания в комплексном исчислении // В сб. Вопросы механики жидкости и газов. Тр.,вып.2. Куйбышев, 1969.- С. 57-61.

3. Костенко А.В. Некоторые замечания о порядке убывания комплексных изображений// В сб. «Механика», Куйбышев, 1969. -С. 62-67.

4. Костенко А.В. О некоторых теоремах комплексного исчисления // В сб. «Волжский математический сборник», вып. 7. Куйбышев, 1969. -С.57-61.

5. Костенко А.В. Нахождение комплексного изображения от произведения функции на факториальную // В сб. «Методы математического моделирования и теория электрических цепей». Вып.3,АН УССР. Киев,1969. -С.89-91.

6. Костенко А.В. Обобщенная теорема о комплексном изображении произведения двух функций // В сб. «Математика». Куйбышев,1970. -С.224-226.

7. Костенко А.В. Численное моделирование обтекания и теплообмена коридорного пакета труб с ассиметричным продольным оребрением. Деп. в ВИНИТИ, 15.01.92, 161-В92, 1992.-С.13.

8. Костенко А.В. Использование интерполяционных соотношений при нахождении параметров течения и теплообмена в расчетной области. Деп. в ВИНИТИ, 07.07.1988,№ 5476-В88.-М.:1988.-С.12.

9. Костенко А.В. Численное моделирование течения и теплообмена коридорных пакетов труб с симметричным продольным оребрением. Деп. в ВИНИТИ 24.01.90, № 485 - В 90. -М.: 1990. -С. 12.

10 Костенко А.В., Костенко В.А. Расчет обтекания и теплоотдачи коридорного пакета труб с симметрично расположенным продольным оребрением // Механика строительных конструкций из новых материалов и проблемы практического внедрения в производство: Материалы межд. научн. - техн. симпозиума, Комсомольск на Амуре: КнАГТУ, 1995.-С.85-88.

11. Костенко А.В., Костенко В.А. Расчет обтекания и теплоотдачи коридорного пакета труб с ассиметрично расположенным продольным оребрением // Механика строительных конструкций из новых материалов и проблемы практического внедрения в производство: Материалы межд. аучн.- техн. симпозиума. Комсомольск на Амуре, КнАГТУ, 1995,-С.163-165.

12. Костенко А,В., Усольцев Ю.А., Черепюк И.Д. Численное моделирование течения вблизи поверхности обтекаемого тела симметричной формы // Проблемы механики сплошной среды. Ч.1: Материалы тр. научн.-техн. конф. Комсомольск на Амуре: КнАГТУ, 1988, -С. 163-165.

13. Костенко А.В. Численное моделирование обтекания и теплообмена в оребренных коридорных пучках труб поперечным потоком жидкости // Проблемы машиностроения и автоматизации. Международный журнал. №3, 2006. -С. 60-67.

14. Костенко А.в. Обнаружение подъемной силы течения в коридорном пакете труб с ассиметрично расположенным оребрением // Нелинейная динамика и прикладная синергетика: Ч.1: Материалы тр. межд. научно-техн. конф. Комсомольск на Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2003.-С.88-81.

15. Костенко А.В. Сопротивление и теплоотдача коридорного пакета труб в ламинарном диапазоне числа Рейнольдса (результаты численного эксперимента). Автореферат дис. на соиск. ученой степ. к.т.н . АН Белоруссии. АНК ИТМО им. А.В. Лыкова. - Минск.1992,-С.21.

16. Костенко А.В. Об автомодельности процесса течения и теплообмена в ламинарном режиме изменения числа Рейнольдса // Повышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в ДВ регионе и странах АТР:Ч.2: Материалы тр. межд. научн.-техн. конф. Комсомольск на Амуре :ГОУВПО «КнАГТУ», 2006. -С.143-145.

17. Костенко А.В., Костенко В,А., Черепюк И.Д, Расчет течения и теплообмена коридорного пакета труб в проблеме сооружений переправ через водные преграды // Проблемы механики сплошной среды: Ч.1: Материалы тр. межд. научн.-техн. конф. Комсомольск на Амуре: КнАГТУ, 1998. -С.163-164.

18. Патент изобретения № 2260648 РФ, «Ледяная переправа», зарегистр. в Гост.реестре изобр. РФ 20.09.2005; Заявлено 07.04.2003, заявка №2003109921. г. Москва.

19. Свидетельство об офиц. регистр. Программы для ЭВМ № 2003611264 «Коридор» / А.В. Костенко, заявка № 2003610709,03.04.2003. Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 28.05.2003, г. Москва.

20. Свидетельство об офиц. регистр. программы для ЭВМ № 2006613241 «Трубные пучки» / А.В. Костенко, заявка № 2006611329, 24.04.2006. Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 14.09.2006.г. Москва.

21. Свидетельство об офиц. регистр. программы для ЭВМ № 2007612330. «Корреляция Эйлер-Нуссельт» / А.В.Костенко, заявка № 2007611491, 20.04.2007. Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 04.06.2007.г. Москва.

22. Костенко А.В. Расчет обтекания и теплоотдачи коридорного пакета труб с симметрично расположенным оребрением // Повышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в ДВ регионе и странах АТР: Ч.2: Материалы межд. научн.-техн. конф. Комсомольск на Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ». 2006. -С.135-142.

23. Костенко А.В., Воротников С.М. Элементы теории аналитических функций и операционного исчисления в задачах и примерах. Комсомольск на Амуре, 2003, -С. 256.

24. Костенко А.В., Воротников С М. Элементы теории аналитических функций и операционного исчисления в задачах и примерах. Комсомольск на Амуре, 2004 -С.274.

25. Костенко А.В. Использование алгоритмической блок-схемы при расчете аэродинамического сопротивления и теплоотдачи мембранного коридорного пакета труб. Деп. в ВИНИТИ 29.02.88, № 1628-В 88. -М.: 1988.-С.32

26. Костенко А.В. К набору экспериментальных данных в процессе обтекания и теплообмена труб с использованием критерия подобия // Повышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в ДВ регионе и странах АТР: Ч.2: Материалы межд. научн.-практ. конф. Комсомольск на Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2006. -С.131-134.

27. Костенко А.В. Использование комплексов программ численного моделирования течения и теплообмена в регулярных коридорных пучках труб в задачах фильтрации // В сб. «Дальневосточная весна -2007»: Материалы межд. научн.-практ. конф. в области экологии и безопасности жизнедеятельности: Комсомольск на Амуре, 7-8 июня 2007.-С. 184-187.

28. Костенко А.В. Использование результатов численного моделирования течения и теплообмена в регулярных коридорных пучках труб в задачах фильтрации и теплопотерь органами дыхания // В сб. «Дальневосточная весна - 2008»: Материалы межд. научно-практ. конф. в области экологии и безопасности жизнедеятельности: Комсомольск на Амуре, 2008 -С.203 - 205.

29. Олейников А.И., Костенко А.В. Обнаружение подъемной силы в задаче обтекания и теплообмена ассиметрично и продольно оребренных регулярных пучков труб поперечным потоком жидкости с помощью численного моделирования // Проблемы машиностроения и автоматизации. Международный журнал № 1, 2008. - С. 105 - 110.

30. Костенко А.В. К вопросу оценки сравнительной эффективности гладкотрубных и продольно оребренных коридорных пучков труб // Проблемы машиностр.и автоматизации. Междунар. журнал. №4 , 2008. - С 103 - 104.

31. Костенко А.В. Алгоритмы и программы численного моделирования неизотермического течения в элементах теплообменников // Информатика и системы управления. - 2008. - № 1 (15). - С. 46 -55.

32. Костенко А.В. Использование программ численного моделирования мембранных коридорных теплообменных учстройств // Информатика и системы управления.- 2008. № 3 (17). - С. 40 - 46.

33. Костенко А.В. О методике коррекции градиента среднемассовой температуры теплообмена коридорных пучков труб в разработке программ компьютерных технологий //Информатика и системы управления. - 2008 . - № 4 (18) , - С.33 - 39.

34. Костенко А.В. Результаты численного моделирования течения и теплообмена в мембранных регулярных коридорных пучках труб // Вестник КнАГТУ. Вып. 12 Часть 1. - Комсомольск-на-Амуре. ГОУВПО «КнАГТУ», 2008. - 185 С.

35. Костенко А.В., Купченко А.В. Применение результатов численного моделирования течения и теплообмена мембранных пучков труб при построении устройств для использования газов при переработке нефти// В сб. «Дальневосточная весна - 2008». Материалы межд. научн.-практ. конф. в области экологии и безопасности жизнедеятельности: Комсомольскна Амуре. 2008. - С. 242-243.

36. Костенко А.В., Зигун К.В. Применение результатов численного моделирования к построению устройств фильтрации водных массивов// В сб. «Дальневосточная весна - 2008». Материалы межд. научн.-практ. конф. в области экологии и безопасности жизнедеятельности: Комсомольск на Амуре. 2008. - С. 243 - 244.

37. Костенко А.В. Численное моделирование течения и теплообмена в мембранных коридорных пучках труб поперечным потоком жидкости // Проблемы машиностроения и автоматизации. Международный журнал № 1 , 2009. - С 95 - 99.

Размещено на Allbest.ru