Численное исследование влияния закрутки потока воздуха на конвективный теплообмен в трубе с винтовой ленточной вставкой

 

Дудко Алексей Степанович,

магистрант Самарского государственного технического университета.

 

Проведено численное исследование влияния закрутки потока воздуха на конвективный теплообмен в трубе с винтовой вставкой с использованием программных комплексов Salome Meca и Code Saturne. Была построена тетраэдральная расчетная сетка, содержащая около 388 тыс. элементов. Задача решена в стационарной постановке с использованием модели турбулентности k-ω SST. Адекватность модели подтверждена сравнением полученных данных с заимствованными экспериментальными значениями. Получены данные о распределении температурных и скоростных полей на поверхностях теплообмена и в рассматриваемом объеме. Произведен анализ применимости рассмотренной модели к данному типу задач.

Ключевые слова: винтовая ленточная вставка, интенсификация теплообмена, численное моделирование, k-omega SST, пограничный слой.

 

Решение проблемы интенсификации теплообмена является актуальным на сегодняшний день, так как в условиях современного рынка конкурентно способными являются наиболее энергоэффективные теплообменные аппараты. Одним из многочисленных способов интенсификации теплообмена в дымогарных трубах является турбулизация теплоносителя. Применение закрученных потоков приводит к усилению тепло- и массообмена, а также выравниванию температурных градиентов и стабилизации течений. В работе представлено исследование, посвященное изучению структуры потока воздуха в канале с винтовой ленточной вставкой с постоянным шагом закрутки.

 

Программное обеспечение

 

В настоящее время основная часть численных экспериментов, описывающих динамику жидких сред, производится на универсальных вычислитеных платформах: ANSYS CFD [3], OpenFOAM [4], FlowVision [2]. В то же время существуют профилированные платформы, которые предназначены для решения отраслевых задач. В настоящей работе была использована одна из таких платфом (Code_Saturne [4]), разработанная французской энергетической компанией Électricité de France (EDF), обслуживающей атомные электростанции.

 

Экспериментальное исследование

 

Адекватность полученных в проведенном исследовании данных оценивалась сопоставлением с результатами экспериментального исследования влияния закрутки газов на конвективный теплообмен в утилизационных газотрубных котлах [1].

На экспериментальной установке (рис. 1) проводили исследования теплообмена аэродинамического сопротивления в трубе с винтовой ленточной вставкой, выполненной из стального листа толщиной 2 мм с шагом закрутки S, который варьировался таким образом, чтобы получить относительный шаг S/d = 6, для внутреннего диаметра теплопередающей трубы d = 50 мм. Длина рассматриваемого участка L = 1200 мм.

 

Рис. 1. Модель экспериментальной установки.

 

Для винтовой вставки проводили 4 опыта, отличающиеся массовым расходом воздуха, которые впоследствии позволили описать функциональными зависимостями теплоотдачу и аэродинамику вставки.

 

Численное моделирование

 

Численное моделирование проводилось с помощью специализированных программных комплексов со свободной лицензией [4, 6]. За расчетную область (рис. 2) принята половина потока воздуха идущего по рассматриваемому каналу.

 

Рис. 2. Расчетная область.

 

Расчетная сетка (рис. 3) построена в программном комплексе Salome [6] и содержит более 388 тысяч элементов. Размер ячейки изменяется в диапазоне от 0.00001 до 0.004 м.

Для разрешения ламинарного подслоя, на поверхности ленточной вставки и внутренней поверхности канала созданы призматические слои вязкости. Общая толщина пограничного слоя (Total thickness) δ = 0.005м. Она рассчитана исходя из толщины первого слоя ΔY = 0.000065, количества слоев (Number of layers) Nδ = 15 и коэффициента растяжения (Stretch factor) fs = 1.2.

 

Рис. 3. Дискретизация расчетной области.

 

Задача решена в стационарной постановке с использованием модели турбулентности k-omega SST. Выбранная модель турбулентности обеспечивает точное описание, как пристеночных пограничных слоев, так и вдали от твердых стенок. Так же принятая модель хорошо зарекомендовала себя в решении задач с необходимостью определения теплопередачи через стенку.

В качестве рабочей среды выбран воздух с температурой на входе t = 60 ⁰C, так как температура теплоносителя изменяется незначительно приняты постоянные свойства (ρ, μ, ∁p, λ = constant). Скорость потока варьировалась в зависимости от числа Ренольдса (12000-26000). На стенках канала задан тепловой поток q=500 Вт/м² он принят постоянным для всех численных экспериментов. Величина теплового потока была выбрана из условия обеспечения требуемого температурного напора. Использовано уравнение неразрывности для корректировки давления согласно алгоритму SIMPLEC. Для скорости и температуры проводилась дискретизация второго порядка (centered). Эффекты от неортогональности элементов сетки учитывались в явной форме итерационным методом . Предельная точность решения была ограничена на уровне 10-5 с максимальным количеством пошаговых итераций 10000. Стабилизация решателя была достигнута предельной релаксацией на уровне 0.5 и ограничением температур в расчетном домене 15÷60 °C. Решение получено для 4 секунд численного эксперимента с шагом 0.004 секунды.

 

Результаты численного моделирования

 

Результаты численного моделирования по эффективности интенсификации теплообмена в трубах с винтовой вставкой представлены на (рис. 4).

 

Рис. 4. Зависимость теплоотдачи (а) и гидравлического сопротивления (б) от Re для вставки с S/d = 6.

 

Решение было получено для фиксированного значения теплового потока. Определяемые коэффициенты (Nu, ξ) были получены путем выражения характерного размера L из формул:

; , где

L’, L” - характерные размеры; λ - коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м²К); α - коэффициент теплоотдачи, Вт/( м²К); ∆p - потери давления, Па; ρ - плотность, кг/м³; U² - скорость, м/с.

Была выбрана базовая точка, для которой подсчитан характерный размер L, который впоследствии использовался при обработке остальных численных экспериментов.

Полученные результаты показали хорошую сходимость во всех сравниваемых точках. Максимальная и минимальная погрешность значений Nu составляет 2.2 - 3 %, а коэффициента гидравлического сопротивления ξ в диапазоне 1.7 - 3.5 %.

Так же получены умеренные значения Y plus = 0,59 - 1,01 и T plus = 0,44 — 0,8, изменяющиеся в зависимости от критерий Рейнольдса.

Анализ адекватности показывает, что данные, полученные при численном моделировании, максимально приближены к данным экспериментальным. Это свидетельствует об адекватности модели для Re = 10⁴ - 2,5·10⁴ и Nu = 90 - 170.

 

Заключение

 

Результаты численного моделирования показывают, что при увеличении скорости потока происходит увеличение теплоотдачи Nu при этом сопровождаясь ростом гидравлического сопротивления ξ.

Разработанная численная модель хорошо подходит для интенсификации теплообмена путем изменения конструкции винтовой ленточной вставки.

 

Литература

 

1.                   Колядин Е. А. Влияние закрутки потока газов на конвективный теплообмен в утилизационных газотрубных котлах [Текст] / Е. А. Колядин // Вестник Астраханского государственного технического университета. – 2007. – №2(37). – С. 159–162.

2.                   Москалев И.В. FlowVision [Электронный ресурс]. URL: https://flowvision.ru/ (дата обращения: 22.05.2016).

3.                   ANSYS CFD [Электронный ресурс]. URL: http://cae-expert.ru/product/ansys-cfd (дата обращения: 22.05.2016).

4.                   Code_Saturne [Электронный ресурс]. URL: http://code-saturne.org/cms/ (дата обращения: 22.05.2016).

5.                   Greenshields C. OpenFOAM [Электронный ресурс]. URL: http://openfoam.org/ (дата обращения: 22.05.2016).

6.                   SALOME Platform [Электронный ресурс]. URL: http://www.salome-platform.org/ (дата обращения: 22.05.2016).

 

Поступила в редакцию 15.05.2017 г.