автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Численное и физическое моделирование процессов энерго и фазоразделения в вихревых трубах

09-1

2241

На правах рукописи

СОЛОВЬЕВ Алексей Александрович

ЧИСЛЕННОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭНЕРГО И ФАЗОРАЗДЕЛЕНИЯ В ВИХРЕВЫХ ТРУБАХ

Специальность: 05.04.13 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2008

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете на кафедре «Прикладная гидромеханика».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Целищев Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Газизов Рафаил Кавыевич

кандидат технических наук Гребенюк Геннадий Петрович

Ведущая организация: ОАО «Институт технологии и органи-

зации производства» (ОАО «НИИТ»), г. Уфа

Защита диссертации состоится 26 декабря 2008 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, Уфа, ул. К. Маркса, д. 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета

Автореферат разослан // 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Бакиров

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВ Г: ИНАЯ

БИБЛИОТЕКА 1 _20 0 9_

Общая характеристика работы

Актуальность темы работы

Транспортировка природного газа в России осуществляется в основном по газопроводам высокого и среднего давлений. Редуцирование давления газа до потребительского уровня сопровождается снижением температуры, обморожением трубопроводов, кристаллизацией тяжелых углеводородов и несанкционированной влага, попавшей в трубопровод в результате нарушения технологии транспортировки. Побочные явления редуцирования негативно сказываются на эффективности и безопасности системы транспортировки природного газа и требуют комплексного подхода к решению поставленной задачи.

Разработанные учеными УГАТУ и ОАО «НИИГ», при участии автора, технологии квазиизотермического редуцирования давления природного газа позволяют избежать снижения температуры газа и выпадения кристаллогидратов, однако не решаются вопросы выделения из газа влага и жидких углеводородов. Реализация аппаратов квазиизотермического редуцирования осуществлена на базе вихревых труб Ранка, применение которых в качестве устройств фазоразделения известно с 1950-х годов, однако эффективность фазоотбора вихревых сепараторов не превышала, как правило, 60-70%.

Совершенствование методов расчета и проектирования вихревых устройств, реализующих эффект Ранка, для сепарации газожидкостных смесей, в частности, многопоточной вихревой трубы, является задачей весьма актуальной. Разрабатываемая методика востребована при проектировании квазиизотермических редуцирующих устройств для газораспределительных пунктов и газораспределительных станций с возможностью отбора несанкционированной влаги и технологией отделения тяжелых фракций от попутных газов. Применение вихревых фазоотборных устройств возможно и для отделения азота от природного газа.

Цель диссертационной работы

Разработка метода расчета и проектирования вихревых устройств, реализующих эффект Ранка-Хилша, для фазоразделения газожидкостных смесей.

Задачи работы

1. Аналитический обзор результатов работ по применению вихревых труб в качестве устройств для отделения жидкой фазы из газожидкостных смесей.

2. Разработка и решение математической модели течения газа с учетом переменной теплоемкости, позволяющей моделировать вихревой эффект Ранка-Хилша.

3. Проведение экспериментальных исследований вихревых устройств при их работе на одно- и двухфазных потоках для подтверждения адекватности численного моделирования.

4. Выработка рекомендаций по проектированию и применению вихревых устройств фазораз деления.

Научная новизна

Научная новизна заключается в том, что в математической модели течения газа в вихревой трубе впервые предложено использование зависимости переменной теплоемкости газа от температуры и давления, позволившей повысить достоверность результатов численного моделирования.

При проведении численного моделирования гидродинамических процессов впервые показано качественное изменение радиального распределения термодинамической температуры вдоль камеры энергоразделения, а также влияние конструктивных параметров на протекание процессов в вихревой трубе.

Составлены рекомендации по определению эффективных геометрических параметров вихревого фазоотборного устройства. Практическая ценность работы

1. В диссертационной работе разработаны общие принципы и рекомендации по численному моделированию вихревого эффекта с использованием современных пакетов вычислительной гидродинамики и применением суперкомпъютерных технологий.

2. Разработаны рекомендации по проектированию и применению многопоточных вихревых труб в качестве фазоотборных устройств со степенью сепарации 90-95 %.

3. Результаты диссертационной работы внедрены в научно-исследовательский цикл работ ОАО «НИИТ» по созданию квазиизотермических систем редуцирования давления природного газа с фазоразделением.

4. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс УГАТУ для студентов направления подготовки 150800 «Гидравлическая, вакуумная и компрессорная техника».

Основания для выполнения работы

Работа является обобщением исследований автора в период с 2002 года по настоящее время и выполнена на кафедре «Прикладная гидромеханика» (ПГМ) Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ). В работу вошли результаты НИР, проведенные на кафедре ПГМ 1999 — 2005 гг. по проектам ФЦП «Интеграция» и хозрасчетным договорам с ОАО «НИИТ» по разработке квазиизотермических вихревых регуляторов давления газа с отделением несанкционированной влаги для газораспределительных станций и пунктов по заказу ОАО «Баштрансгаз» и ОАО

«Тюменьмежрайгаз». Начальные стадии исследований были отображены в магистерской диссертации, выполненной в УГАТУ и защищенной в 2005 г. Достоверность и обоснованность работы

Достоверность и обоснованность результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, подтверждена использованием фундаментальных методов механики жидкости и газа, математического анализа и теории планирования эксперимента. Также достоверность подтверждается сопоставлением с натурными экспериментальными исследованиями, проведенными автором в лаборатории газодинамики высоких давлений кафедры Авиационной теплотехники и теплоэнергетики УГАТУ. На защиту выносятся

1. Математическая модель течения газа в вихревой трубе с учетом переменной теплоемкости газа, позволившая произвести уточнение инженерных методик расчета вихревых устройств.

2. Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований эффекта Ранка и процесса сепарации в многопоточной вихревой трубе.

3. Рекомендации по проектированию многопоточных вихревых труб для сепарации газожидкостных потоков.

Апробация работы

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих международных и российских конференциях:

- Всероссийской научно-технической конференции «Динамика машин и рабочих процессов», г. Челябинск, ЮУрГУ, 2005г.

- Российской научно-технической конференции "Мавлютовские чтения", УГАТУ, г.Уфа, 2006г.

- Всероссийской научно-практической конференции «От мечты к реальности: Научно-техническое творчество создателей авиационной и ракетно-космической техники», Уфа, УГАТУ 2006 г.

- 2-й международной научно-практической конференции «Глобальный научный потенциал», Тамбов, 2006 г.

- Российской научно-технической конференции "Мавлютовские чтения", УГАТУ, г.Уфа, 2007г.

- Международной научной конференции «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности», г. С аров, 2008г.

Публикации

Основное содержание работы отражено в 16 опубликованных работах, в их числе 4 статьи, опубликованные в рекомендованных ВАК изданиях. Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы. Диссертация изложена на 152

страницах машинописного текста, содержит 64 иллюстрации, 3 таблицы. Библиографический список включает 127 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность канд. техн. наук, доценту Ахметову Ю.М. за плодотворные консультации, обсуждения материалов диссертации, ценные замечания и поддержку.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, определены ее цель и задачи, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе на основе рассмотрения особенностей термогазодинамики вихревых течений произведен аналитический обзор опубликованных работ, связанных с изучением, моделированием и применением вихревого эффекта Ранка. Обзор работ выполнен в хронологическом порядке, включает в себя как теоретические и экспериментальные работы, так и работы по численному моделированию вихревого эффекта.

Вихревая труба (ВТ), или труба Ранка-Хилша, - устройство, которое обеспечивает разделение сжатого воздуха, подводимого тангенциально в вихревую камеру через вводные сопла, на горячий и холодный потоки. Такое разделение получило название температурного эффекта, или энергетического разделения, или эффекта Ранка. Вихревая труба была впервые спроектирована французским физиком и металлургом Джозефом Ранзсом в 1932 г. Интерес к устройству появился после опубликования отчета по теоретическому и экспериментальному изучению вихревой трубы немецким инженером Хильшем. Индикатором интереса к вихревой трубе служит литературный обзор Вестли, включающий более 100 наименований. Другие научные публикации таких ранних авторов, как Curley и McGree, Kalvinskas, Dobratz и Nash, дают довольно широкое представление о вихревой трубе. С тех пор вихревая труба нашла обширное применение в промышленности для различных целей.

Выделяют несколько основных параметров, характеризующих работу вихревой трубы: массовая доля холодного потока ß, холодная избыточная температура ЬТХ, горячая избыточная температура АТГ, безразмерный диаметр диафрагмы d, температурная эффективность rj и др.

Различными авторами произведено большое количество экспериментальных работ. Хилып, Шепер, Мартыновский, Алексеев, Hartnett, Eckert, Scheller, Brawn, Blatt, Trusch, Vennos, Braun и др. изучали влияние разнообразных геометрических параметров на работу вихревой трубы. Ими выполнялись замеры термо- и газодинамических параметров вихревого потока для теоретического обоснования эффекта Ранка и повышения эффективности ВТ.

Linderstrom-Lang изучил применение ВТ для сепарации, используя различные газовые смеси и изменяя геометрию трубы. Он показал, что эффективность сепарации в основном зависит от соотношения расходов холодного и горячего потоков. Marshall испытывал ВТ на различных газовых смесях, подтвердив возможность сепарации. Takahama, Collins, Lovelace исследовали работу вихревой трубы на влажном воздухе и двухфазном потоке и установили ухудшение работы вихревой трубы из-за парообразования после среза вводных сопел.

Более ранние исследователи, такие, как Parulekar, Otten, а также Райский с Тункелем - исследовали конические трубы. Пиралишвили и Поляев выполняли экспериментальные исследования на так называемой двухконтур-ной вихревой трубе. Guillaiime and Jolly работали на двухступенчатой вихревой трубе. Manohar и Chetan использовали вихревую трубу для отделения метана и азота из смеси. Riu и др исследовали отделение с помощью вихревой трубы известняковой пыли.

Экспериментальные работы выполнялись Русаком A.M. и Ахметовым Ю.М. для исследования двухступенчатой вихревой трубы, формы вводных сопел и влияния крестовины на величину энергоразделения. Ими же проводились работы по получению изотермического процесса дросселирования газа с использованием вихревых труб и созданию на их основе вихревых изотермических регуляторов давления газа. В 2004 году Русаком А.М. и Ахметовым Ю.М., при участии автора, выполнены работы по созданию и исследованию многопоточных вихревых труб для очистки транспортируемого природного газа от тяжелых углеводородов и несанкционированной влаги. Эффективность очистки достигала 92% по массе. В 2007 - 2008 гг. автором проведены экспериментальные работы по изучению температурных и скоростных полей в противопоточной вихревой трубе.

Энергетическое разделение впервые было объяснено Ранком в его патенте 1932 г. Данная гипотеза была первоначально поддержана Хилыпем. После Хилыпа теоретическое описание эффекта Ранка получило развитие в работах Kassner, Knoernschild, Webster, Fulton, Scheper, Van Deemter, Hartnett, Eckert, Deissler, Perlmutter, Lay, Suzuki, Сибулькина, Lewellen, Kurosaka, Schienz, Amitani, Stephan, Balmer, Nash, Борисова, Меркулова, Гугцола, Пи-рилишвили, Фузеевой и др.

Численное моделирование вихревого эффекта нашло отображение в трудах Cockerill, Frohlingsdorf и Unger, Behera, Skye, Eiamsa-ard и Promvonge. Работы автора и Турина C.B посвящены моделированию эффекта энергоразделения в вихревой трубе и процессов сепарации газожидкостных смесей на различных режимах работы ВТ.

Из выполненного анализа работ, показавших, что большинство аналитических и теоретических трудов, направленных на объяснение эффекта Ран-

ка, оказались безуспешными, следует, что изучение вихревого эффекта и его применение для сепарации газа является задачей весьма актуальной. Кроме того, востребованная для промышленности задача математического моделирования ВТ и процессов сепарации на ее основе оказывается до сих пор до конца не разрешенной из-за сложной структуры потока и эффекта температурного разделения.

Во второй главе рассмотрены и проанализированы различные гипотезы вихревого энергоразделения согласно классификации, предложенной Пи-рал ишвили. Это соответственно гипотезы: центробежная, «Демон Максвелла», радиальные потоки Хилыпа-Фултона, и гипотеза взаимодействия вихрей.

В качестве базовой для данной работы была выбрана гипотеза взаимодействия вихрей, предложенная Шульц-Груновым и впоследствии развитая А.П. Меркуловым. Согласно данной гипотезе перераспределение полной энергии в камере энергоразделения обусловлено тремя потоками энергии:

1. Потоком кинетической энергии, направленным от периферии к центру;

2. Потоком тепла, определяемым распределением статической температуры по сечению и переносимым в процессе интенсивного турбулентного теплообмена;

3. Тепловым потоком энергии, возникающим в результате реализации микрохолодильных циклов, турбулентными молями при их перемещении в радиальном направлении в поле с высоким радиальным градиентом статического давления.

В результате анализа выбранной гипотезы и сравнения ее результатов с результатами экспериментов было решено дополнить гипотезу взаимодействия вихрей учетом переменной теплоемкости в зависимости от давления. Эксперименты показывают наличие значительного радиального градиента давления в вихревой трубе, в некоторых конструкциях достигающего 0,3 МПа/мм. Соответственно, при учете зависимости теплоемкости от давления разница для внутреннего и внешнего потоков может составлять до 20 %, на расстоянии порядка 10 мм. В итоге гипотеза, дополненная этим пунктом, может быть подтверждена большим количеством экспериментов.

Согласно термодинамической теории теплоемкостей зависимость изобарной теплоемкости реального вещества от давления определяется уравнением

или

с =с —— ^ у (3)

Р Ръ оо Т3

(4)

где сА - теплоемкость вещества при атмосферном давлении, т.е. в идеально-

газовом состоянии (зависящая только от температуры).

Однако для решения уравнения (2) необходимо большое количество опытных данных, поэтому при сравнительно невысоких давлениях зависимость теплоемкости ср реальных газов от давления может быть определена по уравнению Бертло, применимому в диапазоне от 0 до 0.5 МПа:

81 р 32 Г3 Рщ

После экспериментальной проверки уравнение (3) было скорректировано для воздуха, используемого в экспериментах, и опробовано на серии экспериментов по дросселированию давления газа на сверхкритических перепадах. Скорректированное уравнение (4), применимое для воздуха в диапазоне от 0 до 2.5 МПа, приняло следующую форму:

45*2$ р °Р Ср° 27 Г3 Рц>

Составлена математическая модель течения газа в вихревой трубе, состоящая из уравнений сохранения, состояния, переменной теплоемкости и модели турбулентности.

В общем случае уравнение сохранения массы (уравнение неразрывности) и уравнение Навье-Стокса для декартовой системы координат записаны в следующей форме:

= (5)

Эр • щ д . . дР л

где t - время; х,- - декартова координата (г = 1,2, 3); и, -компонента скорости в направлении х{; Р - пьезометрическое давление; р - плотность; ту -

компоненты тензора напряжений; / - индекс суммирования.

Теплопередача описывается посредством уравнения сохранения энтальпии для потока:

Ы дху 3) & }дх} *дх/ '

где к - статическая энтальпия, определяемая уравнением: И = срТ, где Т -температура; ср -удельная теплоемкость при постоянном давлении.

В качестве уравнения состояния используется уравнение Бертло:

= (8)

где Я — газовая постоянная; а и Ь - постоянные для данного вещества коэффициенты.

Зависимость вязкости газа от температуры вычисляется из уравнения Сазерленда:

М =

2 273.15 +С.

(9)

273.15 у Г + С4

где - динамическая вязкость при 273.15 К и 101.325 кРа\ С, - константа Сазерленда;

Турбулентность описывалась линейной двухпараметрической к-б моделью, включающей в себя уравнения переноса турбулентной кинетической энергии к и скорости ее диссипации е.

При истечении двухфазной смеси из тангенциального соплового ввода в камере энергоразделения образуется вихревой поток, состоящий из плёнки жидкости на стенке камеры и газового ядра. Образование и удержание плёнки жидкости на периферии камеры вызвано полем центробежных сил. Анализ качественной картины распределения центробежных сил в вихревой трубе представлен на рисунке 1. Наибольшие центробежные усилия действуют на капли жидкости в непосредственной близости к закручивающему устройству, что впоследствии и определило выбор местоположения фазоотборного устройства в вихревой трубе.

Эффективность выделения жидкой фазы из газожидкостной смеси в вихревой трубе зависит от соотношения тангенциальной составляющей о)г скорости газового ядра потока и осевой скорости соа приосевых слоёв газа; поэтому эффект сепарации является функцией относительного расхода охлаждённого потока /д

Для изучения процесса сепарации разработан экспериментальный фа-зоотборник, представляющий собой многопоточную приставку к вихревой трубе (см. рисунок 2). Отбор жидкости происходит на двух кольцевых щелях.

5 10 15

-+- Fc1 (МО) Fc2 (1-5ф -*-Fc3(M0d) Рисунок 1 - Распределение центробежных снл по радиусу в различных сечениях вихревой трубы

Рисунок 2 - Экспериментальный фязоотборннк

Для исключения прямых перетечек потока из закручивающего устройства на холодный выход диафрагма была выполнена с длинным цилиндрическим насадком.

Для оценки эффективности фазоотбора рассчитаны скорости полета капель в тангенциальном закручивающем устройстве и построены траектории движения капель жидкости в газовом потоке. Результат моделирования для капель различных диаметров показал, что при любых диаметрах капель пленочное течение образуется в пределах 270° от начала закручивающего устройства.

В третьей главе выполнено численное моделирование эффекта Ранка и процесса сепарации. Для моделирования была выбрана цилиндрическая вихревая труба классической противоточной схемы со следующими параметрами: диаметр вихревой трубы - 42 мм; диаметр диафрагмы - 20 мм; угол раскрытия диффузора — 6 длина камеры энергоразделения - 300 мм; ширина критического сечения -14 мм; высота критического сечения - 9 мм.

Расчет по предложенной во второй главе математической модели производился в пакете вычислительной гидродинамики STAR-CD. Уравнения сохранения (5), (6), (7), уравнение состояния (8) и модель турбулентности заменялись на равносильные уравнения, заложенные в программный код STAR-CD. Уравнение переменной теплоемкости (4) вводилось с помощью подпрограммы, встраиваемой в расчетный код. Двухфазное течение моделировалось в рамках модели двухфазного течения Эйлера.

Приведенные векторные поля течения газа в вихревой трубе (см. рисунок 3) качественно согласуются с общепризнанными на сегодняшний день представлениями о структуре течения. В продольном сечении камеры энергоразделения наблюдается две вихревые структуры: свободный потенциальный и вынужденный вихрь.

На рисунке 4 представлено распределение статической температуры в поперечных сечениях камеры энергоразделения на различных расстояниях от закручивающего устройства.

рге-ЭТАШЯ уалс^мАдагтшЕ

Рисунок 3 - Векторы скорости в сечении вдоль ВТ и в закручивающем устройстве

Градиент статической температуры в сечениях, близких к закручивающему устройству, направлен от периферии к центру. По мере удаления от закручивающего устройства градиент температуры выравнивается, а в сечениях, близких к дросселю, меняет свое направление на противоположное.

Данные картины распределения статической температуры приводят в согласие предположения Шепера и других более ранних исследователей о направлении радиального градиента статической температуры. Подобный реверс радиального градиента статической температуры объясняет влияние крестовины на эффективность работы вихревой трубы.

На рисунке 5 представлено распределение полной температуры в продольном сечении вихревой трубы при различных коэффициентах расхода По результатам расчетов было установлено, что минимальная температура охлажденного потока достигается в диапазоне // от 0,25 до 0,35. Максимальная температура горячего потока - в диапазоне р от 0,6 до 0,7. Кроме того, численные исследования позволили установить условия возникновения сверхзвуковой области течения в закручивающем устройстве. Сверхзвуковое течение на срезе вводных сопел достигается при степени расширения жх больше 3,5.

Рисунок 5 - Распределение полной температуры в продольном сечении

© Щ

(Ц о

Рисунок 4 - Распределение статической температуры на 1,2,3,4 калибрах от ЗУ

Результаты численного моделирования двухфазного течения представлены на рисунке 6. На рисунке показано распределение объемной концентрации капельной жидкости на поверхности вихревой трубы, подтверждающее эффективность фазоотборного устройства и расчета места образования пленочного течения.

Количество отбираемой жидкости составило 75 - 95 % по массе от подаваемой жидкости на входе в зависимости от режимов работы ВТ и наличия цилиндрического насадка на диафрагме. Количество подаваемой на вход жидкости - 204-30 % по массе от суммарного

Рисунок 6 - Распределение объемной концентрации жидкой фа- Р&СХОД& ГЗЗОЖИДКОСТНОИ

зы по поверхности вт с фшоотборннком смеси. Наиболее эффек-

тивной оказалась фазоотборная щель шириной 0.05 - 0.075г, где г - радиус вихревой трубы, расположенной на расстоянии от 0,5 до 1 калибра от закручивающего устройства.

Четвертая глава посвящена экспериментальному подтверждению математической модели и результатов расчета. Все экспериментальные исследования выполнялись в лабораториях газодинамики высоких давлений кафедры «Авиационная теплотехника и теплоэнергетика» УГАТУ. Первые экспериментальные исследования вихревого эф-Рисунок 7 - Характеристика вихревой трубы ф^ ИСП0ЛЬзуемые В работе,

были начаты в 2000 г. под руководством Русака А.М., Ахметова Ю.М. и Филатова В.Н., ври личном участии автора. Эксперименты 2006 - 2008 гг. выполнялись автором как лично, так и совместно с Пархимовичем А.Ю. и Гу~ риным С.В., под руководством Ахметова Ю.М.

Все эксперименты условно разбиты на три серии. Первая серия экспериментов направлена на получение интегральных термодинамических параметров вихревой трубы. Вторая серия экспериментов преследовала цель определения внутренних дифференциальных характеристик вихревого течения.

А/г 20

*

♦ ■т -е

«г*""' Иг-

1 0 1 0 2 а 3 0 4 0 5 а В 0

а

* -►-Д/гор (расчет) а Д&оп(жсмр)

• ¿/га ит№)

V, м/с

Третья серия экспериментов сориентирована на сепарацию газожидкостных потоков. Полученные результаты представлены в соответствии с приведенной группировкой.

Для исключения теплообмена с окружающей средой установка теплоизолировалась. Максимальное давление после регулятора - 20 МПа, в экспериментах уровень давления не превышал 3 МПа. Массовый расход при давлении - 3 МПа, обеспечиваемый ком-

Рисуиок 8 - Зависимость холодной избыточной температуры от тангенциальной скорости потока при разных давлениях газа на входе

прессорной станцией, - 0,5 кг/с в течение 15 мин.

Для регистрации и записи параметров спроектирована автоматизированная система измерений на базе измерительных преобразователей 1СР БАС серии 7000.

По результатам первой серии экспериментов были построены характеристики интенсивности энергоразделения в ВТ, представленные на рисунке

7. Рисунок показы-

100 ш

«о

I

л А.

— 0,76 ш — 1 мм -г- 1.5»« — 2 им * 0,75 им (>кег»р) > 1 мм(э*с»р) » 1.5 ии (ксгмр)

• •/ х-

/V.......• • '

----.---.—.—,——.-,-

вает удовлетворительную сходимость результатов расчетных и экспериментальных данных по избыточным температурам холодного и горячего потока в области изменения 0,2 </¿<0,6.

По результатам

Рисунок 9-Процент отделения жидкой фазы, по массе, в зависимости от второй СврИИ ЭКСПв-и и ширины фвзоотборной щели. _________________

г * * риментов построены

зависимости тангенциальной скорости потока в камере энергоразделения от давления газа на входе и давления газа на холодном выходе вихревой трубы.

Представленные на рисунке 8 графические зависимости позволяют сделать вывод о прямой пропорциональной зависимости температур истекающих из вихревой трубы потоков от тангенциальной скорости потока.

<м

0,5

Испытания, проведенные на фазоотборнике, показали эффективность фазоотбора порядка 90+95% (см. рисунок 9). Оставшиеся 5+7%, вероятнее всего, испаряются, либо же не улавливаются фазоразделителем.

Основные выводы и результаты

1. Произведенные анализ и обобщение результатов опубликованных работ по изучению вихревых труб и их применения в качестве устройств фа-зоразделения выявили актуальность и незаконченность работ по физическому и численному моделированию вихревого эффекта и показали необходимость дальнейшего совершенствования процессов сепарации при помощи многопоточных вихревых труб.

2. Разработана математическая модель течения газа в вихревой трубе с учетом зависимости теплоемкости газа от давления, позволившая повысить степень достоверности численного моделирования.

3. Впервые обнаружено изменение направления радиального градиента термодинамической температуры вдоль камеры энергоразделения, позволившее более полно объяснить энергетическое разделение и влияние конструктивных параметров.

4. Проведенные экспериментальные исследования вихревых устройств и процесса сепарации, реализованного на основе вихревых труб, показали удовлетворительную сходимость результатов численного моделирования с экспериментом в диапазоне изменения коэффициента расхода 0,15 < ц < 0,7. Выявлено прямо пропорциональное влияние тангенциальной скорости потока на величины избыточных температур истекающих потоков.

5. Работы на экспериментальном образце фазоотборного устройства позволили составить рекомендации по проектированию и применению многопоточных вихревых труб для сепарации двухфазных потоков со степенью отделения до 90 - 95 %. Установлено, что при содержании жидкой фазы в несущем газовом потоке до 30 % по массе наибольшей эффективностью обладают фазоотборные устройства со следующими параметрами:

- Осевое положение фазоотборной кромки -0,5 + 1 калибр от устройства закрутки;

- Ширина фазоотборной кромки - 0,05 + 0,075г, где г - радиус вихревой трубы;

- Коэффициент расхода, при котором достигаются наилучшие показатели сепарации, - 0,35 < ц < 0,5.

Основные результаты диссертации отражены в работах,

опубликованных: в изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Исследование возможности получения изотермического процесса при дросселировании в вихревом регуляторе давления газа / A.A. Соловьев, C.B. Гурин // «Вестник УГАТУ», том 8, №1 - Уфа, 2006 г. - С.З - 6

2. Качественный анализ системы регулирования давления магистрального газа / A.A. Соловьев, А.Ю. Пархимович // «Вестник УГАТУ», том 8, №1 - Уфа, 2006 г. - С.7 - 12

3. Исследование экспериментальных характеристик вихревого регулятора / A.A. Соловьев, А.Ю. Пархимович // «Вестник УГАТУ», том 8, №1 -Уфа, 2006 Г.-С.13 — 15

4. Опыт реализации квазиизотермического редуцирования в вихревых регуляторах давления энергетических систем / Ф.Г. Бакиров, ЮМ. Ахметов,

A.A. Соловьев, А.Ю. Пархимович, C.B. Гурин // «Вестник УГАТУ», том 9, №6 - Уфа, 2007 г. - С.66 - 74

в других изданиях

5. Редуцирование давления природного газа без устройств предварительного подогрева / A.A. Соловьев, А.М. Русак, В.А. Целищев, B.JI. Юрьев, Ю.М. Ахметов, Р.Ю. Дистанов, П.М. Кармацкий, C.B. Гурин // Сборник научных докладов РАН IV международного совещания по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте. - М: ИМАШ РАН, 2004 - С.133 - 144

6. Исследование изменения температурных параметров в изотермическом вихревом регуляторе давления газа / A.M. Русак, В.А. Целищев, Ю.М. Ахметов, A.A. Соловьев, А.Ю. Пархимович // Сборник трудов Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения». Том 4. / УфагУГАТУ 2006. - С.95 - 100

7. Экспериментальное исследование вихревой трубы / A.M. Русак,

B.А. Целищев, Ю.М. Ахметов, A.A. Соловьев, А.Ю. Пархимович // Сборник трудов Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения». Том 4. / Уфа:УГАТУ 2006. - С. 101 - 105

8. Экспериментальное исследование двухступенчатой вихревой трубы, для охлаждения замкнутого объема / A.M. Русак, ВА. Целищев, Ю.М. Ахметов, A.A. Соловьев, А.Ю. Пархимович // Сборник трудов Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения». Том 4. / Уфа:УГАТУ 2006. - С.106 -111

9. Автоматизация обработки экспериментальных данных испытаний вихревой трубы с помощью пакета MATLAB / A.A. Соловьев, А.Ю. Пархи-

мович // Сборник материалов 2-й международной научно-практической конференции «Глобальный научный потенциал» / Тамбов: Изд-во Перпшна Р.В., 2006-С.103 - 105

10. Редуцирование давления и отделение жидкой фазы газа магистральных газопроводов с использованием вихревой техники / A.M. Русак, Ю.М. Ахметов, A.A. Соловьев, П.М. Кармацкий // Динамика машин и рабочих процессов: Сборник докладов Всероссийской научно технической конференции / ЮУрГУ, 2005г. - С.87 - 90

11. Редуцирование давления природного газа без устройств предварительного подогрева / A.M. Русак, В.А. Целшцев, B.JL Юрьев, Ю.М. Ахметов, A.A. Соловьев, П.М. Кармацкий, С.В. Гурин, Р.Ю. Дистанов // Наука - производству. 45 лет на пути технического прогресса: Ежегодный научно - технический сборник под общ. ред. В. JI. Юрьева / Уфа, 2003 г. - С. 18 - 28

12. Экспериментальное исследование многоступенчатой вихревой трубы, для использования вырабатываемого хладоресурса в процессе термической обработки металлов / A.A. Соловьев, А.Ю. Пархимович // От мечты к реальности: Научно-техническое творчество создателей авиационной и ракетно-космической техники: Материалы всероссийской научно-практической конференции / Уфа, УГАТУ 2006 г. - С. 111 - 112

13. Численное моделирование системы регулирования давления магистрального газа / В.А. Целищев, B.JI. Юрьев, Ю.М. Ахметов, A.A. Соловьев, А.Ю. Пархимович // Наука - производству. Ежегодный научно-технический сборник. Под общ. ред. B.JI. Юрьева - Уфа, 2006 г. - С.15 - 21

14. Разработка многоступенчатой системы редуцирования давления магистрального газа / В.А. Целищев, B.JI. Юрьев, Ю.М. Ахметов, A.A. Соловьев, А.Ю. Пархимович, Р.Г. Салимов // Наука - производству. Ежегодный научно-технический сборник. Под общ. ред. В.Л. Юрьева - Уфа, 2006 г. - С. 22

15. Вихревой эжектор / A.B. Свистунов, A.A. Ситников АЛ. Соловьев // Сборник трудов Российской научно-технической конференции «Мавлю-товские чтения», УГАТУ, - Уфа, 2007г. - С.86 - 89

16. Моделирование системы регулирования давления магистрального газа / В.А. Целищев, B.JI. Юрьев, Ю.М. Ахметов, A.A. Соловьев, А.Ю. Пархимович // Наука - производству: Ежегодный научно-технический сборник. Выпуск 4. Под общ. ред. В.Л. Юрьева - Уфа, 2007 г. - С. 109 -120

-29

Диссертант

A.A. Соловьев

СОЛОВЬЕВ Алексей Александрович

ЧИСЛЕННОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭНЕРГО И ФАЗОРАЗДЕЛЕНИЯ В ВИХРЕВЫХ ТРУБАХ

Специальность: 05.04.13 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 14.11.2008. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-отт.1,0. Уч.-изд. л.0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 531

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12

ОГЛАВЛЕНИЕ

Общая характеристика работы

Глава 1. Анализ выполненных работ по исследованию вихревого эффекта

Введение

1.1 Основные определения,

1.2 Классификация вихревых труб

Противоточные вихревые трубы

Однопоточные вихревые трубы

1.3 Параметрические исследования вихревой трубы

1.4 Обзор экспериментальных работ по исследованию вихревого эффекта

1.5 Обзор теоретических и численных работ по исследованию вихревого эффекта

Транспортировка природного газа в России осуществляется в основном по газопроводам высокого и среднего давлений. Редуцирование давления газа до потребительского уровня сопровождается снижением температуры, обморожением трубопроводов, кристаллизацией тяжелых углеводородов и несанкционированной влаги, попавшей в трубопровод в результате нарушения технологии транспортировки. Побочные явления редуцирования негативно сказываются на эффективности и безопасности системы транспортировки природного газа и требуют комплексного подхода к решению поставленной задачи.

Разработанные учеными УГАТУ и ОАО «НИИТ», при участии автора, технологии квазиизотермического редуцирования давления природного газа позволяют избежать снижения температуры газа и выпадения кристаллогидратов, однако не решаются вопросы выделения из газа влаги и жидких углеводородов. Реализация аппаратов квазиизотермического редуцирования осуществлена на базе вихревых труб Ранка, применение которых в качестве устройств фазоразделения известно с 1950-х годов, однако эффективность фазоотбора вихревых сепараторов не превышала, как правило, 60-70%.

Совершенствование методов расчета и проектирования вихревых устройств, реализующих эффект Ранка, для сепарации газожидкостных смесей, в частности, многопоточной вихревой трубы, является задачей весьма актуальной. Разрабатываемая методика востребована при проектировании квазиизотермических редуцирующих устройств для газораспределительных пунктов и газораспределительных станций с возможностью отбора несанкционированной влаги и технологией отделения тяжелых фракций от попутных газов. Применение вихревых фазоотборных устройств возможно и для отделения азота от природного газа.

Цель диссертационной работы

Разработка метода расчета и проектирования вихревых устройств, реализующих эффект Ранка-Хильша, для фазоразделения газожидкостных смесей.

Задачи работы

1. Аналитический обзор результатов работ по применению вихревых труб в качестве устройств для отделения жидкой фазы из газожидкостных смесей.

2. Разработка и решение математической модели течения газа с учетом переменной теплоемкости, позволяющей моделировать вихревой эффект Ранка-Хильша.

3. Проведение экспериментальных исследований вихревых устройств при их работе на одно- и двухфазных потоках для подтверждения адекватности численного моделирования.

4. Выработка рекомендаций по проектированию и применению вихревых устройств фазоразделения.

Научная новизна

Научная новизна заключается в том, что в математической модели течения газа в вихревой трубе впервые предложено использование зависимости переменной теплоемкости газа от температуры и давления, позволившей повысить достоверность результатов численного моделирования.

При проведении численного моделирования гидродинамических процессов впервые показано качественное изменение радиального распределения термодинамической температуры вдоль камеры энергоразделения а также влияние конструктивных параметров на протекание процессов в вихревой трубе.

Составлены рекомендации по определению эффективных геометрических параметров вихревого фазоотборного устройства.

Практическая ценность работы

1. В диссертационной работе разработаны общие принципы и рекомендации по численному моделированию вихревого эффекта с использованием современных пакетов вычислительной гидродинамики и применением суперкомпьютерных технологий.

2. Разработаны рекомендации по проектированию и применению многопоточных вихревых труб в качестве фазоотборных устройств со степенью сепарации 90-95 %.

3. Результаты диссертационной работы внедрены в научно-исследовательский цикл работ ОАО «НИИТ» по созданию квазиизотермических систем редуцирования давления природного газа с фазоразделением.

4. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс УГАТУ для студентов направления подготовки 150800 «Гидравлическая, вакуумная и компрессорная техника»

Основания для выполнения работы

Работа является обобщением исследований автора в период с 2002 года по настоящее время и выполнена на кафедре «Прикладная гидромеханика» (ПГМ) Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ). В работу вошли результаты НИР, проведенных на кафедре ПГМ 1999 - 2005 гг. по проектам ФЦП «Интеграция» и хозрасчетным договорам с ОАО «НИИТ» по разработке квазиизотермических вихревых регуляторов давления газа с отделением несанкционированной влаги для газораспределительных станций и пунктов по заказу ОАО «Баштрансгаз» и ОАО «Тюменьмежрайгаз». Начальные стадии исследований были отображены в магистерской диссертации, выполненной в УГАТУ и защищенной в 2005 г.

Достоверность и обоснованность работы

Достоверность и обоснованность результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, подтверждена использованием фундаментальных методов механики жидкости и газа, математического анализа и теории планирования эксперимента. Также достоверность подтверждается сопоставлением с натурными экспериментальными исследованиями, проведенными автором в лаборатории газодинамики высоких давлений кафедры Авиационной теплотехники и теплоэнергетики УГАТУ.

На защиту выносятся

1. Разработанная математическая модель течения газа с учетом переменной теплоемкости газа, описывающая вихревой эффект.

2. Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований эффекта Ранка и процесса сепарации в многопоточной вихревой трубе.

3. Рекомендации по проектированию многопоточных вихревых труб для сепарации газожидкостных потоков.

Апробация работы

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих международных и российских конференциях:

Всероссийской научно технической конференции «Динамика машин и рабочих процессов», г. Челябинск, ЮУрГУ, 2005г.

Российской научно-технической конференции "Мавлютовские чтения", УГАТУ, г.Уфа, 2006г.

Всероссийской научно-практической конференции «От мечты к реальности: Научно-техническое творчество создателей авиационной и ракетно-космической техники», Уфа, УГАТУ 2006 г.

2-й международной научно-практической конференции «Глобальный научный потенциал», Тамбов, 2006 г.

Российской научно-технической конференции "Мавлютовские чтения", УГАТУ, г.Уфа, 2007г.

Международной научной конференции «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности», г. Саров, 2008г.

Публикации

Основное содержание работы отражено в 16 опубликованных работах, в их числе 4 статьи, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях.

Структура и объем дисертации

Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы. Изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 64 иллюстраций, 3 таблицы. Библиографический список включает 128 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность канд. техн. наук, доценту Ахметову Ю.М. за плодотворные консультации, обсуждения материалов диссертации, ценные замечания и поддержку.

Основные выводы и результаты

1. Произведенные анализ и обобщение результатов опубликованных работ по изучению вихревых труб и их применения в качестве устройств фазоразделения выявили актуальность и незаконченность работ по физическому и численному моделированию вихревого эффекта и показали необходимость дальнейшего совершенствования процессов сепарации при помощи многопоточных вихревых труб.

2. Разработана математическая модель течения газа в вихревой трубе с учетом зависимости теплоемкости газа от давления, позволившая повысить степень достоверности численного моделирования.

3. Впервые обнаружено изменение направления радиального градиента термодинамической температуры вдоль камеры энергоразделения, позволившее более полно объяснить энергетическое разделение и влияние конструктивных параметров.

4. Проведенные экспериментальные исследования вихревых устройств и процесса сепарации, реализованного на основе вихревых труб, показали удовлетворительную сходимость результатов численного моделирования с экспериментом в диапазоне изменения коэффициента расхода 0,15 < ju< 0,7. Выявлено прямо пропорциональное влияние тангенциальной скорости потока на величины избыточных температур истекающих потоков.

5. Работы на экспериментальном образце фазоотборного устройства позволили составить рекомендации по проектированию и применению многопоточных вихревых труб для сепарации двухфазных потоков со степенью отделения до 90 - 95 %. Установлено, что при содержании жидкой фазы в несущем газовом потоке до 30 % по массе наибольшей эффективностью обладают фазоотборные устройства со следующими параметрами:

- Осевое положение фазоотборной кромки - 0,5 -г 1 калибр от устройства закрутки;

- Ширина фазоотборной кромки - 0,05 0,075г, где г радиус вихревой трубы;

- Коэффициент расхода, при котором достигаются наилучшие показатели сепарации, — 0,35 < // < 0,5.

1.6 Заключение

Экспериментальные работы

В основном, все экспериментальные исследования вихревой трубы можно разделить на две группы. Исследователи, придерживающиеся первой группы, изучают влияние различных геометрических параметров на работу и эффективность вихревой трубы. Вторая группа исследователей делает упор на изучение механизма энергетического разделения в вихревой трубе, измеряя давления, скорости и температуры в различных точках между вводными соплами и дросселем на горячем выходе. Эти исследователи, в основном, работают на режиме р = 0, т.е. используют прямоточную вихревую трубу, в которой отверстие диафрагмы полностью закрыто и весь воздух выходит через дроссель, расположенный на горячем выходе вихревой трубы. Все параметры, определяющие температурное разделение в вихревой трубе, можно выделить в две категории: геометрические и термодинамические. Общие рекомендации большинства авторов по этим параметрам можно представить в объединенном виде:

• Увеличение числа вводных сопел ведет к увеличению температурного разделения в вихревой трубе.

• Использование малых диафрагм {d/D — 0.2, 0.3 и 0.4) способствует увеличению противодавления, в то время как большие диафрагмы {d/D = 0.6, 0.7, 0.8, и 0.9) приводят к повышенным тангенциальным скоростям на холодном выходе, в результате и те, и другие приводят к снижению температурного разделения в трубе.

• Оптимальные значения для наиболее эффективной конструкции вихревой трубы: диаметр диафрагмы d/D ~ 0.5, угол открытия дросселя (р ~ 50°, длина вихревой трубы L/D ~ 20, суммарная площадь вводных сопел д/D ~ 0.33.

• Оптимальное значение входного давления составляет порядка 6 атмосфер, хотя большее давление приводит к увеличению энергетического разделения. Наибольшее температурное разделение было получено на гелии в качестве рабочего тела, чем на кислороде, метане и воздухе.

Теоретические и численные работы

Большинство аналитических и теоретических работ, направленных на объяснение эффекта температурного разделения в вихревой трубе, оказались безуспешными. Также некоторые попытки применения численного анализа см. таблицу 1.2) не смогли точно смоделировать поля скорости и температуры в вихревой трубе из-за сложности потока и эффекта температурного разделения. Ошибка данных расчетов заключается в упрощенных моделях, применяемых для описания потока. Последние численные работы с использованием моделей турбулентности первого и второго порядков дают значительно более точные результаты, чем работы, выполненные в последнее десятилетие.

Не малое значение при численном моделировании имеет размерность и возможности применяемых вычислительных систем. Так, применение для этих целей персональных компьютеров заставляет многих исследователей переходить либо на двухмерные модели, либо выделять из вихревой трубы только сектор и результаты расчета в нем в последствии аппроксимировать на всю вихревую трубу. В то время как использование уникальных суперкомпьютерных технологий, например, таких как суперкомпьютер УГАТУ, позволяет исследователю не прибегать к упрощению моделей и получать более качественные результаты, при прочих равных условиях.

1. Ranque, G.J. Experiments on expansion in a vortex with simultaneous exhaust of hot air and cold air // J Phys Radium (Paris) 1933г. -№4. -C.l 12-114.

2. Азаров, А.И. Рукотворный смерч / А.И. Азаров // Новая энергетика -2005. т.4, №23. - С.37 - 40

3. Hilsch, R. The use of expansion of gases in a centrifugal field as a cooling process // Rev Sci Instrum 1947r. -№18(2). -C.l08-113.

4. Westley, R. A bibliography and survey of the vortex tube // College of Aeronautics. Cranfield note, UK, 1954r. -324c.

5. Curley, W. Bibliography of vortex tubes / W. Curley, R. McGree Jr. // Refrig Eng. 1951r. -№59(2). -C.191-193.

6. Азаров, А.И. Вихревые трубы в инновационном процессе / А.И. Азаров // Новая энергетика 2005. - т.4, №23. - С. 12 - 27

7. Dobratz, В.М. Vortex tubes: a bibliography // Lawrence Radiation Laboratory UCRL-7829. 1964r.-68c.

8. Nash, J.M. The Ranque-Hilsch vortex tube and its application to spacecraft environmental control systems // Dev Theor Appl Mech 1972r. -№6. -C.35 90

9. Гуляев, А.И. Исследование вихревого эффекта /А.И. Гуляев// Журнал технической физики. 1965. - т.35, №10. - С.69 - 81

10. Соловьев, А.А. Качественный анализ системы регулирования давления магистрального газа / А.А. Соловьев, А.Ю. Пархимович // «Вестник УГАТУ», том 8, №1 Уфа, 2006 г. - С.7 - 12

11. Финько, В.Е. Особенности охлаждения и сжижения газа в вихревом потоке / В.Е. Финько // Журнал технической физики. 1983. - т. 53, № 9. - С. 89-93.

12. Bruno, T.J. Applications of the vortex tube in chemical analysis Part I: introductory principle // Am Lab 1993г. -№25. -C. 15-20.

13. Мартыновский, B.C. Вихревой эффект охлаждения и его применение /B.C. Мартыновский, В.П. Алексеев // Холодильная техника -1953.-№3.-С. 23-31

14. Baz, A. Feasibility of vortex tube assisted environmental control of an underwater research habitat / A. Baz, J. Gilheany, A. Kalvitas // Ocean Eng 1987r. -№15(1). -C.34-54.

15. Riu, К. Experimental investigation on dust separation characteristics of a vortex tube / K. Riu, J. Kim, I.S. Choi // Trans JSME Ser B: Therm Fluid Mech 2004r. -№47(1). -С.29-36.

16. Чижиков, Ю.В. Экспериментальное исследование расходных характеристик вихревой трубы / Ю.В. Чижиков // Сб. научн. трудов МВТУ: Глубокий холод и кондиционирование. 1976. - С.87 - 90

17. Martin, R.W. Variable temperature system using vortex tube cooling and fibber optic temperature measurement for low temperature magic angle spinning NMR. R.W. Martin, K.W. Zilm // J Magn Reson 2004r. -№168(2). -C.202-209.

18. Райский, Ю.Д. О параметрах определяющих вихревой эффект / Ю.Д. Райский, В.М. Ентов, В.Н. Калашников// Изв. АН СССР: Механика жидкости и газа. №3, - 1967, - С.32 - 38

19. Colgate, S.A. Coherent transport of angular momentum-the Ranque-Hilsch tube a paradigm, astrophysical turbulence and convection // S.A. Colgate, J.R. Buchler // Ann NY Acad Sci 2000г. -№898. -C. 105-112.

20. Кузнецов, В.И. Критериальная база вихревого эффекта Ранка / В.И. Кузнецов // Вихревой эффект и его применение в технике / Самара: СГАУ им. С.П. Королева, 1992, С. 29 - 32

21. Меркулов, А.П. Вихревой эффект и его применение в технике / А.П. Меркулов. 2-ое изд., перераб. и доп. - Самара: Оптима, - 1997. - 292 с.

22. Русак, A.M. Экспериментальное исследование вихревой трубы / A.M. Русак, В.А. Целищев, Ю.М. Ахметов, А.А. Соловьев, А.Ю. Пархимович // Сборник трудов Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения». Том 4. / Уфа:УГАТУ 2006. С. 101 - 105

23. Comassar, S. The vortex tube // J Am Soc Naval Eng. 195lr. -№63. -C.99-108.

24. Scheper, G.W. The vortex tube; internal flow data and a heat transfer theory // J ASRE Refrig Eng. 1951г. -№59. -C.985-989.

25. Мартыновский, B.C. Исследование вихревого эффекта температурного разделения для газа и пара / B.C. Мартыновский, В.П. Алексеев// Журнал технической физики 1956. - №1. С. 33-43.

26. Hartnett, J.P. Experimental study of the velocity and temperature distribution in a high-velocity vortex-type flow / J.P. Hartnett, E.R.G. Eckert // Trans ASME J Heat Transfer 1957r. -№79. -C.751-758.

27. Scheller, W.A. The Ranque-Hilsch vortex tube / W.A. Scheller, G.M. Brown // J Ind Eng Chem. 1957r. №49(6). -С. 1013-1016.

28. Blatt ТА, Trusch RB. An experimental investigation of an improved vortex cooling device. American Society of Mechanical Engineers, Winter Annual Meeting, America, 1962. C. 74 81

29. Алексеенко, C.B. Закрученные потоки в технических приложениях (обзор) / С.В. Алексеенко, B.JI. Окулов // Теплофизика и аэромеханика. -1996. -т.З, №2. С101 — 138

30. Бирюк, В.В. Вихревой эффект энергетического разделения газов в в авиационной технике и технологии / В.В. Бирюк // Изв. вузов. Авиационная техника. 1993. - № 2. - С 20 -23

31. Vennos, SLN. An experimental investigation of the gaseous vortex // PhD thesis. Rensselaer Polytechnic Institute, 1968. C. 213 219

32. Bruun, H.H. Experimental investigation of the energy separation in vortex tubes // J Mech Eng Sci 1969r. №11(6). -C.567-582

33. Nash, J.M. Design of the vortex cooler // American Society of Mechanical Engineers, Annual design engineering conference, New York, USA, 1975r. -C.201-207.

34. Collins, R.L. Experimental study of two-phase propane expanded through the Ranque-Hilsch tube / R.L. Collins, R.B. Lovelace // Trans ASME J Heat Transfer 1979г. -№101. -C.300-305.

35. Такахама, X. Энергетическое разделение потоков в вихревой трубе с диффузорной камерой/Пер, с англ. /X. Такахама, X. Иокосава // — Теплопередача, 1981, т. 103, № 2, с. 10—18.

36. Parulekar, В.В. The short vortex tube // J Refrig. 1961г. -№4. -C.74-80

37. Otten, E.H. Production of cold air // London: Engineering. 1958r. -154c.

38. Райский, Ю.Д. Тункель JI.E. Влияние формы и длины вихревой трубы на процесс энергетического разделения /Ю.Д. Райский, J1.E. Тункель // Журнал технической физики. 1974; - 27(6). - С.78-81.

39. Amitani, Т. A study on temperature separation in a large vortex tube / T. Amitani, T. Adachi, T. Kato // Trans JSME. 1983r. №49. - C.877-884.

40. Stephan, K. An investigation of energy separation in a vortex tube / K. Stephan, S. Lin, M. Durst, F. Huang, D. Seher // Int J Heat Mass Transfer. 1983r. -№26.-C.341-348

41. Рябов, А.И. и др. Трехпоточные вихревые трубы в нефтедобывающей и газовой промышленности (аналитический обзор) / А.И. Рябов, А.П. Гусев, М.В. Жидков, Д.М. Жидков // Нефтегазовые технологии -2007. № 2. - С.2 - 7

42. Lin, S. A heat transfer relation for swirl flow in a vortex tube / S. Lin, J.R. Chen, G.H. Vatistas // Can J Chem Eng J 1990r. №68(6). - C.944-947.

43. Ahlborn, B. Limits of temperature separation in a vortex tube / B. Ahlborn, J.U. Keller, R. Staudt, G. Treitz, E. Rebhan // J Phys D: Appl Phys 1994г. -№27. -C.480^188

44. Ahlborn, B. The vortex tube as a classic thermodynamic refrigeration cycle / B. Ahlborn, J.M. Gordon // J App 1 Phys. 2000r. №88(6). - C.3645-3653.

45. Арбузов, B.A. и др. Наблюдение крупномасштабных гидродинамических структур в визревой трубке и эффект Ранка / В.А. Арбузов, Ю.Н. Дубнищев, А.В. Лебедев, М.Х. Правдина, Н.И. Яворский // Письма в ЖТФ 1997. -т.23(23) - С.38-40

46. Гуцол, А.Ф. эффект Ранка / А.Ф. Гуцол // Успехи физических наук 1997. - т. 167(6). - 665-687

47. Пиралишвили, Ш.А. и др. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения / В.А. Пиралишвили, В.М. Поляев, М.Н. Сергеев. М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000. - 414 с.

48. Lewins, J. Vortex tube optimization theory / J. Lewins, A. Bejan / Energy J. 1999r. №24. - C.931-943.

49. Трофимов В.М. Физический эффект в вихревой трубе Ранка / Успехи технических наук 2000г., №5, С49-52.

50. Guillaume, D.W. Demonstrating the achievement of the lower temperatures with two-stage vortex tubes / D.W. Guillaume, J.L. Jolly // Rev Sci Instrum 200lr. №72(8). - C.3446-3448

51. Manohar, R. Enrichment of methane concentration via separation of gases using vortex tubes / R. Manohar, R.Chetan // J Energy Eng 2002; 128(1): 112.

52. Кузьмин, А.А. Расчет предельных температурно-энергетических характеристик противоточных вихревой трубы / А.А. Кузьмин, А.И. Азаров, С.О. Муратов //Вихревой эффект и его применение в технике. / Куйбышев КуАИ. — 1988.-С. 23 -27

53. Singh, Р.К. An experimental performance evaluation of vortex tube // IE(I) J-MC 2004г. — №84. -C.149—153.

54. Казанцева, О. В. Численное моделирование закрученных течений в вихревых трубах / О. В. Казанцева, Ш. А. Пиралишвили, А. А. Фузеева //Теплофизика высоких температур. 2005. - 43, № 4. — с. 606 — 611.

55. Promvonge, P. Investigation on the vortex thermal separation in a vortex tube refrigerator / P. Promvonge, S. Eiamsa-ard // ScienceAsia J 2005r. -№31(3). -C.215-223.

56. Gao, C.M. Experimental study on a simple Ranque-Hilsch vortex tube / C.M. Gao, K.J. Bosschaart, J.CH. Zeegers, A.M. Waele // Cryogenics 2005r. -№45(3).-№173-183.

57. Ay din, О. An experimental study on the design parameters of a counter flow vortex tube / O. Aydin, M. Baki // Energy J 2006r. №31(14). - C.2763-2772.

58. Fulton, C.D. Ranque's tube // J ASRE Refrig Eng 1950r. №58.- C.473-479.

59. Леонтьев, А.И. Газодинамический метод энергоразделения газовых потоков / А.И. Леонтьев // Теплофизика высоких температур 1997. - т.35, №1.-С. 157-159

60. Reynolds, A.J. Energy flows in a vortex tube // J Appl Math Phys 1961r.- №12. C.343 - 345.

61. Славин, В.И. Радиальная передача энергии полем давления -основная причина теплового разделения потока газа в вихревой трубе / Куйбышев КуАИ. 1988. - С. 31 - 34

62. Fulton, C.D. Comments on the vortex tube // J ASRE Refrig Eng 1951r.- №59. C.984.

63. Van Deemter, J.J. On the theory of the Ranque-Hilsch cooling effect // Appl Sci Res, Netherlands 1952г.-№3(3). С 174-196

64. Deissler, R.G. Analysis of the flow and energy separation in a vortex tube / R.G. Deissler, M. Perlmutter // Int J Heat Mass Transfer 1960r. №1. -C. 173-191.

65. Абросимов, Б.Ф. Исследование взаимодействия противотока с периферийным потоком в вихревой трубе с винтовым закручивающим устройством / Б.Ф. Абросимов, Н.А. Артамонов //Вихревой эффект и его применение в технике. / Куйбышев КуАИ. 1988. - С. 67 - 71

66. Lay, J.E. An experimental and analytical study of vortex flow temperature separation by superposition of spiral and axial flows: Part II. / J.E. Lay // Trans ASME J Heat Transfer 1959r. №81 (4). - № 213-222.

67. Suzuki, M. Theoretical and experimental studies on the vortex-tube / M. Suzuki // Science Papers of the Institute of Physical and Chemical Research (Japan) 1960r.-№54(1).-C.43-87.

68. Крамаренко, П.Т. градиент температуры в силовом поле П.Т. Крамаренко // Вихревой эффект и его применение в технике. / Куйбышев КуАИ. 1988. - С. 42-46

69. Reynolds, A.J. A note on vortex-tube flows / A.J. Reynolds // J Fluid Mech 1962r. №14. - С. 18 - 20.

70. Lewellen, W.S. A solution for three-dimensional vortex flows with strong circulation / W.S. Lewellen // J Fluid Mech 1962r. №14. - C.420^132.

71. Linderstrom-Lang, C.U. The three-dimensional distributions of tangential velocity and total-temperature in vortex tubes / C.U. Linderstrom-Lang // J Fluid Mech 1971 r. №45. - С.161-187.

72. Lewellen WS. Three-dimensional viscous vortices in incompressible flow. PhD thesis. University of California, 1964.

73. Кныш, Ю.А. О механизме переноса энергии в вихревой трубе пульсирующими крупными вихрями / Ю.А. Кныш // Вихревой эффект и его применение в технике. / Куйбышев КуАИ. 1988. - С. 71 - 74

74. Kurosaka, М. Acoustic streaming in swirling flow and the Ranque-Hilsch (vortex tube) effect / M. Kurosaka // J Fluid Mech 1982r. № 124. - C.139 - 172

75. Тарунин, E.JI. Вычислительные эксперименты для вихревой трубки Ранка-Хилша /E.JI. Тарунин, О.Н. Аликина // Труды международной конференции RDAMM-2001, т.6, ч.2, - 2001г., С.363 - 371

76. Полянский, А.Ф. Моделирование течений жидкости и газа в вихревой трубе и струе / А.Ф. Полянский, Л.И. Скурин // Математическое моделирование,-т. 13, №7,-2001г., С. 116-120

77. Stephan, К. A similarity relation for energy separation in a vortex tube / K, Stephan, S. Lin, M. Durst, F. Huang, D. Seher// Int J Heat Mass Transfer 1984r. №27.-C.911-20.

78. Balmer, R.T. Pressure driven Ranque Hilsch temperature separation in liquids / R.T. Balmer // J Fluids Eng 1988r. №110. - C.161-164.

79. Nash JM. Vortex expansion devices for high temperature cryogenics. In: Proceedings of the intersociety energy conversion engineering conference, IECEC'91, USA, 1991. C. 521 525.

80. Борисов, A.A. Конвективный теплообмен и его влияние на эффект Ранка в вихревой трубе (переведено с английского) / А.А. Борисов, П.А. Куйбин, B.JL Окулов // ASME Fluids Engineering 1993; - №172. - С. 195— 200

81. Гутцол, А.Ф. Новый вихревой метод изоляции плазмы к пояснению эффекта Ранка / А.Ф. Гутцол, Ж.А. Бакен // Прикладная физика, №3, 1998г. С. 704-711.

82. Cockerill ТТ. Thermodynamics and fluid mechanics of a Ranque-Hilsch vortex tube. PhD thesis. University of Cambridge, 1998. c.211

83. Frohlingsdorf, W. Numerical investigations of the compressible flow and the energy separation in the Ranque-Hilsch vortex tube / W. Frohlingsdorf, H. Unger // Int J Heat Mass Transfer 1999r. №42. - C.415-422.

84. Казанцева, O.B. Численное моделирование закрученных течений в вихревых трубах / О.В. Казанцева, Ш.А. Пиралишвили, Д.К. Василюк, А.А. Фузеева // Пятый Минский международный форум по тепломассопереносу 2004г., С. 12-14

85. Promvong, P. Numerical simulation of turbulent compressible vortex-tubes flow / P. Promvong // The third ASME/JSME Joint Fluid Engineering, Sanfrancisco, USA, 1999 C.35 - 42

86. Aljuwayhel, N.F. Parametric and internal study of the vortex tube using a CFD model / N.F. Aljuwayhel, G.F. Nellis, S.A. Klein // Int J Refrig 2005r.- №28(3). C.442-540

87. Skye, Н.М. Comparison of CFD analysis to empirical data in a commercial vortex tube / H.M. Skye, G.F. Nellis, S.A. Klein// Int J Refrig 2006r.- №29. C.71-80

88. Eiamsa-ard, S Numerical investigation of the thermal separation in a Ranque-Hilsch vortex tube / S. Eiamsa-ard, P. Promvonge // Int J Heat Mass Transfer 2007; №50. - C.821-832

89. Соловьев, А. А. Исследование возможности получения изотермического процесса при дросселировании в вихревом регуляторе давления газа / А.А. Соловьев, С.В. Турин // «Вестник УГАТУ», том 8, №1 — Уфа, 2006 г. С.З - 6

90. Соловьев, А.А. Вихревой эжектор / А.В. Свистунов, А.А. Ситников А.А. Соловьев // Сборник трудов Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения», УГАТУ, Уфа, 2007г. - С.86 - 89

91. Теплотехнический справочник под ред. Юренева В.Н. и Лебедева П.Д., -М.: Энергия, 1975г., 744с

92. Хинце, И.О. Турбулентность ее механизм и теория. М.: Государственное издание физико-математической литературы, 1963г., 680с.

93. Соловьев, А.А. Опыт реализации квазиизотермического редуцирования в вихревых регуляторах давления энергетических систем \\ А.А. Соловьев, Ф.Г. Бакиров, Ю.М. Ахметов, С.В. Турин, А.Ю. Пархимович \\ «Вестник УГАТУ», том 9, №6 Уфа, 2007г. С. 66-74

94. Мартынов А.В., Бродянский В.М. Что такое вихревая труба? М.: Энергия, 1976.- 153 с.

95. Райский Ю.Д., Тункель Л.Е. Применение вихревых труб в схемах подготовки природного газа. М.: ВНИИЭГаз, 1979. - 56 с.

96. Вихревые аппараты / А.Д. Суслов, С.В. Иванов, А.В. Мурашкин, Ю.В.Чижиков. М.: Машиностроеение, 1985. — 256 с.

97. Мухутдинов Р.Х., Амиров Р.Я., Альмеев Л.Э., Ханнанов М.М. Эффективность внедрения вихревых аппаратов (применительно кнефтехимическим производствам)/ Под общей редакцией Я.С. Амирова. — Уфа: Изд-во «Реактив», 2001. 347 с.

98. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, Самара. Оптима, 1997.- 292 с.

99. Дейч М.Е., Филлипов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. -М.Энергия, 1968.-423 с.

100. Methodology User Guide. STAR-CD VERSION 4.00 // 2006 CD-adapco. 402 c.

101. Кирпиченко, В.Е. Исследование рабочего процесса вихревых труб в двухфазных средах / В.Е. Кирпиченко // Куйбышев КуАИ. 1988. - С. 128 -130

102. Schiller, L. Uber die grundlegenden Berechnungen bei der Schwerkraftaufbereitung / L. Schiller, A. Naumann // VDI Zeits., 1993r. -№77(12). - C.318 - 320.

103. Рабочие процессы компрессоров объемного действия / В.Е. Щерба; Омский гос. техн. ун-т. М.: Наука, 2008. - 319 с.

104. Auton, T.R. The force exerted on a body in inviscid unsteady nonuniform rotational flow / T.R. Auton, J.C.R. Hunt, M. Prud'homme // J. Fluid Mech.- 1988r. -№ 197,-С. 241 -257.

105. Тарасевич, С.Э. Средний диаметр капель, образующихся при распаде жидких струй и пленок (обзор) / С.Э. Тараевич, А.Б. Яковлев // Изв. Вузов. Авиационная техника, № 4. - 2003г. - С.52 - 57

106. Lance, М. Turbulence in liquid and phase of a uniform bubbly air-water flow / M. Lance, J. Bateille, // J. Fluid Mech., 1991r. № 222, - C.95 - 118.

107. Меркулов, А.П. Вихревой эффект и его применение в технике \ А.П. Меркулов-М.: Машиностроение 1969, 182 с

108. Upendra Behera и др. «CFD analysis and experimental investigations towards optimizing the parameters of Ranque-Hilsch vortex tube» \\ International journal heat and mass transfer www.elsevier.com/locate/ijhmt

109. CCM User Guide. STAR-CD VERSION 4.00 // 2006 CD-adapco. 387c.

110. Соловьев, А.А. Исследование экспериментальных характеристик вихревого регулятора / А.А. Соловьев, А.Ю. Пархимович // «Вестник УГАТУ», том 8, №1 Уфа, 2006 г. - С. 13 - 15

111. Соловьев, А.А. Численное моделирование системы регулирования давления магистрального газа \ А.А. Соловьев, Ю.М. Ахметов, В.А. Целищев, B.JI. Юрьев, А.Ю. Пархимович\\ Наука производству.:

112. Ежегодный научно-технический сборник. Выпуск 4. Под общ. ред. В.Л. Юрьева Уфа, 2006 г. - С. 15 - 21

113. Сквайерс Дж. Практическая физика — М.: Мир, 1971, 246с

114. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок М.: Мир, 1985, 272с.

115. Механика в СССР за 50 лет под ред. Седова Л.И. М: Наука, 1970, -880 с.