автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Численное моделирование течения и теплообмена в системе компланарных каналов

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени ^Ьударстпенный Технический Университет имени Н.Э.Баумана

Макаров Дмитрий Владимирович

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА В СИСТЕМЕ КОМПЛАНАРНЫХ КАНАЛОВ

05.07.05 Двигатели летательных аппаратов.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи УДК 536.24

-

Москва 1995

Работа выполнена в Московском ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственном Техническом Университете имени Н.Э.Баумана.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита диссертации состоится У л*, 1995г. в /г час.

на заседаг а специализированного Совета К.053.1.08 при Московском Государственном Техническом Университете „im. Н.Э.Баумана по адресу: 107005S, г.Москва, Лс' эртонская наб., д.1

ф-т "Энергомашиностроение"

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уничерсигета.

Ваш отзыв на автореферат в 2-х экз., заверенный печатью, просим выслать по адресу: 107005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, МГТУ им. Н.Э.Баумана, ученому секретарю специализированного Совета К.053.15.08.

Автореферат разослав '_"__1995 г. .......

Ученый секретарь специализированного Coi га к.т.н., доцент

Подл, к печ.2У. ¡C, ¿'¿Заказ J

доктор технических наук, профессор В.М.Поляев.

доктор технических наук, профессор Е.В.Шишов кандидат технических наук, ьрофессор В.Д.Курпатенков

РКК "Энергия" им. С.П.Королева

до

О^С^Ь КутуковЮ.И. Обьс Í пл. Тир. 100 экз.

Типография МГТУ им. Н.Э.Брумана

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Интенсивное развитие энергетики, промышленности, авиационной, ракетно-космической и атомной техники характеризуется все большим использованием теплообменных аппаратов в технологических процессах, энергетических и двигательных установках. Наибольшее значение интенсификация теплообмена имеет для авиационных и ракетных двига.лей, где предъявляются жесткие требования к габаритам и массе изделий, их нагжности. В силу эт^го возникает необходимость в создании новых типов теплообменников и огтимизации конструктивных и режимных параметров тепообменных аппаратов еше на этапе проек чо-конструкторской проработки.

Одш'ч из современных методов интенсификаи ч теплообмена является применение ком.шанарного течения, которое обладает целым рядом свойств, способствующих увеличению теплоотдачи. До недар"его . времени опыты по исследованию картины течения в компланарных каналах (КК) не проводились из-за сложности введения каких-либо приборов в компланарный тракт. Подробные экспериментальные данные весьма малочисленны. Вследствие этого, математическое моделирование является практически единственным спос. оом детального исследования компланарного течения тепоносителя в трактах теплообменных устройств.

Цель работы

- Создать численную модель развитого турбуг ;нтного течения в системе компланарных Каналов.

- Рассчитать гидравлические и тепловые характеристики для типичной ячейки смешения системы компланарных каналов.

- Оценить достоверность полученных расчетных данных по результатам сравнения с даьными экспериментального исследования.

Научная новизна

- Впервые выполнено численное моделирование трехмерного течения и теплообмена в ячейке смешен; л комплак^рного тракта.

- В ходе расчетов подтверждено существование чнтеног-чого массообмена между каналами, наличие в каналах вихревой структуры потока и несимметричного профиля скорости.

- Исследованы особенности распределения в ячейке смешения локального коэффициента тепоотдачи п^ поверхности каналов, температурного состояния конструкции теплообменника.

- Разработана методика расчета основных теплотехнических характеристик ячейки смешения.

Практическая ценность

- Расчетное моделирование позволяет во многих случаях отказа лся от сложных и дорогостоящих экспериментальных исследований.

- Результаты численного исследования компланарных каналов могут1 использоваться при проектировании новых теплообменных аппаратов с подобным течен"ем теплоносителя..

- Численная модель течения и теплообмена в ячейке смешения позволяет проводить оптимизацию основных конструктивных и режимных параметров проектируемых компланг оных трактов.

- Созданная модель позволяет определять температурное состояние когтрухцин теплообменника, что н обходимо при прочностных расче^х.

- Разработанный программный комплекс легко адаптируется для расчета течения и теплообмена в других видах теплообменных трактов.

/ пробация работы

Основные положения работы обсуждались на республиканской конференции "Проблемы гореь.1я и охраны окружающей среды" (Рыбинск, 1994г.), на м кдународном аэрокосмическом конгресс^ "IAC ' 94" (Москва, 1994г.), на X международной школе-семинаре молодых ученых "International Symposium Heat Transfer Enhancement in Power Machinery" (Москва, 1995г.), на научно-техническом семинорм кафедры "Ракетные двигатели" (МГТУ км. НЗ.Баумана, 1995г.).

Публикации

По результатам проведенных исследований опубликовано 3 печатных работы.

','груктура и объем диссертации

Диссертадионгля работа .остоит из введения, пяти ппап,'выводов и списка литературы. По объему работа состоит из 127 страниц текста, 27 рисунков, б таблиц, библиография насчитывает 93 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБО1Ы Во введении обосновывается актуальность исследуемого т опроса, сформулированы цели и перечислены основные по тожения, выносимые автором на зашиту.

В первой главе дан краткий обзор исследований по способам интенсификации теплообмена, по методам расчета течения теплоносителя, ( по применяемым в инженерной практике моделям турбулентности. Заключает главу постановка задачи исследования.

Известно, что существует большое количество способов интенсификации теплообмена е трактах современных теплообменных устройств. В большинстве случаев для увеличения теплоотдачи используется увеличение плошали, теплообмена или организация отрывной турбулентной структуры потока на искусственней шероховатости стенок канала. Увеличение теплоотдачи за счет дальнейшей турбулизации течения в будущем ма оперсп стнвно, т.к. влечет все большие потери давления. Это, возможно, потребует создания других спс-обов интенсификации теплообмена. Одним г., таких методов является закрутка потока теплоносителя и, в частности, компланарное течение, сочетающее в себе вихревой характер потока, разв!тую • поверхность теплообмена, периодическую конструкцию канала, создающую искусственную шероховатость. Компланарное течение теплоносителя является сравнительно' новым способом интенсификации теплообмена, данные по характеру течения и теплообмену в КК малочисленны и разрознены, детальных исследований картины течения в них до последгто времени ..е было. Вследствие этого стоит задача изучения распределения поля скоростей и теплопередачи в комгтанарных трактах. В силу сложности и высокой стоимости экспериментальных исследований целесообразно сосредоточиться на Ч! зленном моделировании компланарного течения.

Так как течение в современных теплообменных аппаратах, и в системе ЮС в частности, носит трехмерных отрывной характер, то для расчета таких течений необходимо использовать П' тные уравнения движения в форме Навье-Стокса или е форме Рейнольдеа, которые описывают наиболее широкий класс течений.

Наиболее разработанными и надежными для расчета течений жидкости являются на сегодня конечно-разностные методы с использованием шахматных сеток для расчета скоростей ч даЕЛ ний. Среди различных процедур связи поля скоростей и поля давлений особо выделяются благодаря своей надежности и простоте реализации БШРЬЕ-подобг 'е алгоритмы.

Модели турбулентности, лрименяемые сегодня е инженерной практике можно разделить на 2 класса : алгебраические модели

турбулентности, базирующиеся в основном на гипотезе Праидшя и моделях турбулентности для течений типа потраничного слоя, и дифференциальные многопараметрические мод ти, представленные в основном, К-е моделями. К первой группе относятся так или иначе модифицированные модели Праидшя, модель Эскудиера, гипотеза Клаузера, формула Кармана и т.п. Ко второй группе относятся К-е модели с пристенными функциями и низкорейнольдсовые модели турбулентности. К-е модеш. - относительно новый для инженерной практики метод расчета турбулентных течений, более требовательный к ресурсам вычислительной' шики.

К сожалению, существующие сегодня в мире вычислительные программные комплексы, реализующие описанные методы расчета течений и модели турбулентности, часто либо недоступны отече таенным исслеь, лателям вообще, либо дня их применения необходима сложная и дорогостоящая вычислительная техника.

Таким оС;;азом, задачами настоящего исследования являются :

1. Разработка и создание методики моделирования трехмерных рабочж процессов в трактах теплообменных устро:'лв.

2. Создание математической модели развитого турбулентного течения вязкой несжимаемой жидкости в ячейке смешения системы КК.

3. Расчет гидравлических и тепловых характеристик для типичной ячей: ' смешения КК.

4. Оценка достоверности созданного метода расчета по результатам сравнения с экспериментальными данными.

Вторая шава содержит описание конечно-разностного метода контрольного объема для моделирования трехмерного турбулентного течения и теплообмена вязкой не кимаемоГ жидкости.

Метод позволяет решать систему уравнений движения и конвективно-диффузионного переноса обобщенной переменной Ф. В качестве переменной Ф :огут выступать температура Т, энтальпия I, концентрация С, кинетическая энергия турбулентных пульсаций К и т.п.:

Ш. —1 = 0 ЯХ,

9 'ЭХ; вх, ахД 0Х.

Т! 5Ф д

г дФ

Г«Щ

+ з,

+ Бс+Бр Ф

В данной реализации метода используются, как наиболее надежные, шахматные расчетные сетки (расчетные точки для скалярных величин и векторов скорости расположены в разных контрольных объемах (КО)). Для связи поля скоростей и поля давлений была реа~изована стандартная процедура SIMPLE. При получении конечно-разностных аналогов уравнений переноса использовалась степенная аппроксимация потоков искомой величины на гранях ^.0,

Рассмотренный метод достаточно прост и в то же время считается наиболее отработанным и надежным. Он уди ¡но сочетает в Себе контрольно-объемный метод получения конечно-разностных аналогов дифференциальных уравнений переноса, компактны!, лтбло». и степенной закон аппроксимации для конвекпшных членов в уравнениях переноса, что обеспе .ивает гибкую связь конвективных и диффузионных потоков, влияющих на коэффициенты конечно-разностного уравнения. Благодаря этому метод экономичен, не требователен к машинным ресурса.. н устойчив с вычислительной точки зрения при моделировании циркуляционных -ечений с высокими числами Re, что важно при расчете компланарного течения.

Б конце второй главы приводится описание программного комплекса, его блок-схема, перечень и назначение его основных подпрограмм.

Третья глава посвящена верификации программного комплекса. Чтобы убедиться в работоспособности комплекса, правильности его отдельных частей и подпрограмм, правильности решения уоавнений для каждой из зависимых переменных, заведенных в расчет - скоростей U,V,\V, поправки давления р' и обобщенной переменной Ф, производилось решение тестовых задач теплопроводности и динамик жидкости, имеющих аналитическое или достоверное расчетное решение.

В диссертации приводятся результаты решения 7 демонстрационных и тестовых задач.

В четвертой главе приводится краткое описание экспе1 имеитальиой установки и методики проведения эксперимента по исследованию компланарного течения. Эксперимент проводился совместно кафедрой Э-1 МГТУ им. Н.Э.Баумана и Центральным институтом авиационного моторостроения (ЦИАМ). Подробно исследовалась структура компланарного течения при помощи оптических методов диагностики. Использовался лазерный поплеровский измеритель скорости (ЛДИС), позволяющий определять скорость потока, не нарушая структуры

течения. Действие установки осноезне» на принципе двух длин еолн. В описываемом эксперименте использовалось 2 пары лазерных лучен, лежащих во взаимно перпендикулярных плоскостях и пересекающихся в одном и том же объеме. Каждая из пар лучей имеет свою длину волкы и образует свою интерференционную картину. Вследствие этого возможно определение сразу двух, перпендикулярных друг другу, составляющих скорости: вдоль оси канала и поперек оси в горизонтальной плоскости. Замеры скоростей и обработка результатов измерений производились автоматически при помоши специального программно- аппаратного комплекса фирмы Т$*1, смонтированного на базе персональной ЭВМ и ориентированного ча раооту с ЛДИС. Благодаря этому с высокой точностью измерялись средние ( до 1.5-5-2%) и пульсацнонные ( до 10%) сос-эвляющие скоростей, производи; ;ь их запись е ЭВМ н автоуизироват.^я обработка результатов эксперимента.

Исследуемый компланарный тракт изображен на рис.1. Была смоделирована плоская квазибесконечная компланарная решетка с квапрг'ным сечением каналоЕ 15 х 15 мм. Подробные измерения проводились в нижнем канале 5-ой ячейки смешения.

По результатам менее подр^ оных исследований течения в 4-й и 6-й ячейках смешения мо но сделать вывод о том, что течение в 5 ячейке близко к установившемуся и на результаты его исследования молло ориентироваться для проверки численного моделирования полностью развитого течения в типичной ячейке смешения.

Пятая глава содерж. , описание и результаты численного моделирования течения и теплообмена в типичной ячейке смешения системы КК.

При помоши созданного программного ко:."тлекса возможно полу ..пъ картину развивающеюся течения от ячейки к ячейке. Однако целью исследованш. является определение теплоЕых и гидравлических характеристик типичной ячейки смешения вдали от входа в компланарный тракт. Поэтому сразу производилось моделирование развитого течения, условием которого является повторяющийся профиль скоростей на входе и выходе каждого из каналоЕ.

Для численного исследования бьш ют- периодический элемент экспериментально изученной компланарной реше...и. Чертеж и общий вид расчетной области для такой ячейки смешения представлены ча рис.2. Стрелками показано направление преобладающего течения. Расчетная область включает в себя не только пр _>точную часть, но и стенки каналов.

Моделировались динамические условия реального эксперимента: вязкость 1.77-10 5 Па-с, средняя по сечению канала скорость \У=12.75 М1С.

Математическая модель течения и теплообмена в ячейке смешения образована системой уравнений движения и * 1ерпш для вязкой несжимаемой жидкости:

аи 6У д\У . ...

г.ги Л,Ш л„зи др дГгги) дГгд1) _ .,,

.'V ..дУ ..ЗУ др д('ЗУ) д(гдУ) д („Г') „ ... ,,з\у .. -лу ...глу

ар д (1.5\У) а зчл а (г дЩ _

'ох'ду д7, ¿щ. 2 ах,) М ж) й?л

В качестве предваротельного этапа, моделировалось развитое ламинарное течение в компланарных аналах на основе полных трехмерных уравнений Навье-Сгокса. В этом случае Г,=|1, Би^у^^О. Уравнение энергии не решалось. При этом 01 рабатывалась постановка граничных условий и периодических условий на входе и выходе из каналов. В качестве начальных условий прик малнсь условия. прилипания на всех непроницаемых поверхностях - верх \я и нижняя грани 'асчетной области, торцевые поверхности стенок (заштрихованы на чертеже). На плоскостях рассеченнь..» стенок каналов моделировались условия симметрии. Расчетная сетка со стороны прото- ной части была стушена к непроницаемым поверхностям, что должно обеспечивать достоверные расчетные профили скорости вблизи стенки и перепад давления по длине ячейки смешения. В тгх контрольных объемах, которые имитировали неподвнжные спнки канала, вводилась большая вязкость (ц=1015).

Переход к расчету турбулентного течения состоит в добавлении к исходной ламинарной постановке модели турбулентности и уравнения чнергаи. Демонстрируются результаты расчетов согласно модели Прашпля с демпфирующей функ: 1ей Ван-Дри- а, специальным образом адаптированной для расчета трехмерных задач с преобладающим

направлением течения жидкости. Решаемая система уравнений

Для уравнения энергии задавались граничные условия 1-го рода: Т-100"С на верхней и нижней гранях расчетной области, постоянный профиль гем' сратур Т=0°С на входе в каждый из каналов и условия симметрии на остальных поверхностях расчетом области. В качестве материала стенки канала мо "тировалась медь.

В результате решения системы уравнений (1)-(5) было получено распределение скоростей * Г,У.\\' и температуры Т во всей расчетной области, включая с ;нки. На рис.За и рис.ЗЬ I иведено распределение скорости в центре нижнего канала в вертикальной и горизонтальной плс, кости. Для сравнения точками нанесены экспериментальные даннь. Видно, что расчет хорошо согласуется с экспериментом вблизи стенок канала, что должно обеспечивать хорошее совпадение расчетного и экспериментального значений перепада давления и генлов -го потока на стенках канала. На рис.4 показаны проектам профиля скорости и в центре ячейки смешения а плоскости ХОУ и Х02 соответственно. Видны особенности течения, характерные для компланарного канала в целом: образование максимума скорости на подветренной стенке канала и вблизи зоны смешения. Такое расл; ^деление скорости объясняется меньшим напряжением трения п зоне смешения, чем на стенке и большой турбулентной вязкое^ пк> рядом с подветренной стенкой, где расположен центр вихря и максимум градиента окружной скорости во вращательном течении жг ¡.кости в канале. Локальный максимум продольной скорости в центре канала выражен слабее, чем в эксперт нте.

(нал распределение температур во всей расчетной области, были рассчитаны интегральные и локальные характеристики теплообмена. Средние числа N11 и я I всей ячейки смешения рассчитывались:

совпадает с системой (1)-(5). В этом случае Г, + Г2 = —- +—.

ч1»- »г;

П Р (Тшх ~ 1», )

Г -Т,

где С^., ——-¡45«, - средняя по площади омываемой

Ау

поверхности плотность теплового потока ,

Тт/ = Т„<18„ - средняя температура омываемой стенки КК ,

Тг = — |Тс1У - средняя температура потока теплоносителя ,

Твх = - средняя температура теплоносителя 1..1 входе в

КК,

1

вых = т;-[Тс!?^^, - средт \я температура теплоносителя на выходе

Рвых; Бьк

из КК,

Т| - температура теплоносителя в первом

пристеночном узле, Ду - расстояние между стенкой и первым пристеночным узлом,

Р=0,015 м - гидравлический диаметр канала, При средней скорости W.= I2,75%' значения составили: Ый-197,

¿1=0.0147, перепад давления -^ = 584 и% . На рис.5 приведена

оХ.

зависимость 81(Ие) для других режимов течения в сравнении с экспериментальными данными ряда авторов. В экспериментах испьггывались образца, которые имели одинаковое квадратное сечение каналов и прямой угол их пересечения. Поперечные размеры экспериментальных каналов составляли 2..6 мм, в то время как и моделируемом тракте - 15 мм. Вследствие этого в моделируемой ячейке смешения образуется более интенсивное вихревое течение чем и объясняются большие значения чисел по сравнению с

экспериментальными данными.

Результаты расчета показывают, -что коэффициент а имеет наибольшее значение у наветренной стен''и канала, что согласуется с ранее полученными экспериментальными данными. На каждой из стенок коэффициент а достигает своего максимума в средней части стенки. 11а рис.6 представлено рассчитанное распределение локальной) коэффициента теплоотдачи а по верхней стенке канала.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

!. Разработана методика моделирования рабочих процессов в трактах теппообыеньых аппаратов авиационной и ракетно-космической техники с компланарным течением теплоносителя.

2. Создан программный комплекс для расчета i идродинамики и теплообмена на основе численного решения уравнений движения и энергии в трехмерных областях.

3. Впервые создана численная модель трехмерного пс :ностък> развитого турбулентного течения вязкого ; гсжимаемого теплоносителя в типичной ячейке смешения системы компланарных каналов.

Д. Результаты численного эксперимента хорошо совпадают с данными испытаний натурных образцов, что позволяет сделать вывод о гозмолаюеш определения характеристик теплообменного тракта численным образом.

Впервые рассчитаны средние для типичной ячейки смешения системы компланарных каналов гидравлические и тепловые характеристики и определено температурное состояние конструкции компланарного теплообменника и распределение локального коэффициента теплоотдачи по поверхности компланарного канала.

6. Р -работанный программный комплекс позволил провести с достаточной точностью расчеты течения и теплообмена ь системе компланарных каналов. Использ^ная машина была сравнима по быстродействию с процессором INTEL 80486, необходимый объем оперативной памяти, п^я обшем количестве расчетных точек 22 ООО, составил L MB, требуемое для одного типичного расчета процессорное время - 40..50 часов.

7. Созданная модель течения и теплообмена в системе компланарных каналов позволяет проводить рас.чет натурных объектов и огггш гзаиию их основных конструктивных и режимных параметров 10

(размеры канала, ширина ребра стенки, расход охладителя и пр.), определят*- температурные по,-, кон.фукцин теплообменного аппарата; при этом не использ->.'ется априорной информации о характере течения и каких-либо эмпирических данных о конкретном исследуемо; .санале.

Результаты исследований переданы в НПО "Энергомаш" и используются в конструкторском бюро.

Публикации по теме диссертации:

1. Polyaev V.M., Makarov D.V., Makarov КА. Some Problems of Flow and Heat Transfer in a Plane Mixing Layer // International Aerospace Congress (IAC'94): Abstracts. - Moscow, 1994. - P.318.

2. Поляев B.M., Макаров Д.В., Макаров КА. Некоторые вопросы течения и теплообмена в ламинарных и турбулентт х плоских стационарных слоях смешения // Вынужденная конвекция однофазной жидкости : Тр. Первой Рос. нац. конф. по теплообмену. - 1Л., 1994. - Т.1. -С.211-217.

3. Makarov D., Pelevin F. Calculation of fraction of pressure and velocities in a with a porous wall II Heat Transfer Enhancement in Power Machinery (HTEPM'95). Int. Simposium- Moscow, 1995. - Part 1. - P.l65.

У.М

и, м/с

и, м/с

Рис.3. Распределение скорости н центре нижнего канала а) в вертикальной плоскости Ь) в горизонтальной плоскости

1.60Е+01 1.60Е+01 1,40Е*01 1.20Е+01 1.00Е+01 8.00Е+00 6.00Е+00 4.00Е+00 2,00Е<-00 О.ООЕ+ОО -2.00Е

СМ СЧ1 см СМ СМ си см Г)ПО

о о сэ о ? V сэ

01 Ш Ш Ш Ш ^ Ш Ш ш + ш

о о о сэ т СО (=> о о

о т ш ст> 1Л ■Ч- т— о сэ о

со" са см г— 1— 1— ш" т- о

О.ООЕ+ОО

а)

1.80Е+01

1.00Е+01

М0Е<-01

1.20Е+01

ШР*0.

6.00Е+00

Б.ООЕ+ООН

4.00Е*00

глоЕ+оо

О.ООЕ+ОО -2.00Е+00

"5 с? <? ГЗ ООО

3060090

Л ■ 1 ■ 1.'| ■ > ■ 1111 ■ ■ +

З.GJE-0г

Ы Ы О' М) Ш Ш Ш Ш Ш III и! Ы Ш ш

1ЛШ1 £ га о о и] о и п о о п

О) Г^ Г-- Ш V ¿5 N. т- Ш Щ У

г-" т-" г-' г-" т-' «-" Ю" П СО <м о

Ь)

' Рис.4. Проекции скорости и в центре ячейки смешения

a) проекция на плоскость ХОУ

b) проекция на плоскость XOZ

10

ОСООО данные Алеисандренкова В.II. ос по о дойные Волокитшт В.А.

данные Злиетратова С.Н. А/айАА данные автора

-I—г-т1» 1-1 г1

1 0 3 1 0 4 10 3 Яе

Рис.5. Среднее па каналу число Стэнтона

з!? й'УХ^"" геэс-оз

Рис,6. Локальный коэффициент теплоотдачи на верхней стенке ячейки смешения