автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Численное моделирование конвективного теплообмена в пламенных печах машиностроения

ИНСТИТУТ МАТВЛАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАН

На правах рукописи

КУРНОССВ Владимир Владимирович

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ПЛАМЕННЫХ ПЕЧАХ МАШИНОСТРОЕНИЯ

оциальность - 05.13.18 - теоретические основы математического дотирования, численные метода и коплэксы программ.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математическиз наук

Москва - 1992 г.

/ / / ,

/ '' '

Л ' *

Работа выполнена в институте прикладной математики И.В.Келдыша РАН и в научно-исслэдоватольском и проектной инс туте Теплопроект.

Научные руководители - кандидат физико-математических пау!

ст.н.с. Б.П.Герасшов, кандидат технических наук, профессор И.К.Энно. Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

В.Ф.Тшкин, - кандидат ф*:зико-мат0мэткчес1шж наук, доцент 10. В. Ва-тыуффов.

Вэдущэя организация - топлстсипкоскил шкяшут.

Защита состоится ¿V 1933* г. ь_часов I

заседании сгощшлизкро ванного совета К КБ.91.01 .при шсгпгг: то матеиатачэского моделирования РАН по адресу: 125048, Москва, Миусская площадь, 4, ауд._

О диссэртацЕэа шшо ознакомиться в библиотеке инспщч катеазпнаского моделирования РАН.

Автореферат разослан // 1992 г.

Ученый секретарь Сшциализированного СоБвта, кандидат физико-математических наук

с. Р. Свирщевс

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Пламенные печи являются основным аг-агатом для нагрева металла перед обработкой давлением и пос-эдующэй термической обработкой. Поэтому повышение эффективно-ти пламенного нагрэва и создание совершенных конструкций пла-знных печей имеет важное народнохозяйственное значение.

Основным способом сокращения удельных расходов топлива вляется интенсификация конвективного теплообмена в пламенных эчах машиностроения. Высокоскоростные струйные потоки, атаку-щкэ металл со скоростями 100 - 150 м/с, позволяют многократно величить конвективную теплоотдачу к металлу и значительно со-ратать удельные расходы топлива.

Сложная структура турбулентных потоков, развивакгдихся в абочем пространстве пэчи, разнообразие геометрических и ре-шдалс факторов предопределяют высокий уровень сложности рас-этных методов, трудности их численной реализации. Существуйте методы расчета конвективного теплообмена в пламенных пэ-ах, базирующиеся на полузмшрических соотношениях, не отвечают эзросшим требованиям практики. Поэтому разработка численных эдэлэй, описывающих конвекцш в пламенных пэчах па основе соименных методов вычислэтельноз гидродинамики, является акту-льноа задачей.

Самым распространенным генератором теплового и динамичес-эго импульса в рабочем пространстве пламенных пачоа машиност-

роэния, применяемым в настоящее время, являются высокоскоростные туннельные горелочныв устройства с практически полным сжиганием топлива в туннеле. В связи с этим большой интерес представляет численное исследований струйных течений в рабочы пространстве пламенной печи.

Основной целью диссертации является разработка эффектов-ных численных моделей процессов теплопероноса в пламенных почах машиностроения и элементах их конструкций на базе числзн-ных методов, заложенных в пакете прикладных программ (ППП) Из: тун, а также создание проблемно-ориентированного комплекс; программ для расчета конкретных теплотехнических устройств.

Научная новизна. На база ППП Нептун разработаны численны* модели для исследования конвективного теплообмена в рабоче! пространстве пламенных гочей и элементах их конструкций. И основе двумерных уравнений Навье-Стокса, модели турбулент ности, теории погранслоя, теории турбулентных струй построен эффективные численные модели газового инжектора, канала, гоч скоростного нагрэва, рециркуляционной термической шчи перио даческого действия. Проведены численные эксперименты, предста влэеы результаты параметрических исследований. ■

Практическая значимость. Разработан- комплекс программ дл численного исследования конвективного теплообмена в пламенны печах машиностроения. Проблемно-ориентированная версия ПП Нептун используется во ВНИШТеплопроект для расчета конкретно го теплотехнического оборудования на стадии предпроектной про

1ЭбОТКИ.

Апробация работы. Полученные в работ© результаты доклады-13лись на XIV международной летней школе "Приложения математи-и в технике" в г. Варна (Болгария) в 1988 году, на советско-конском симпозиуме по вычислительной гидродинамике в г. Хзба-ювск (СССР) в 1988 году, на семинаре академика А.А.Самарского в МГУ га. М.В.Ломоносова в 1991 году.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы I пяти статьях и одном научно-исследовательском отчете.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введе-ж, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 20 наименований. Общий объем работы составляет 120 стр. маши-:описного текста, включая 41 рис. и 1 таблицу.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дана общая математическая постановка и ме-■од решения двумерных уравнения, описывающих смешанную конвек-зоо. В 1.1 обсуждается физическая постановка и приводится си-тема уравнений. Уравнения переноса завихренности и температу-ы, входящие в систему уравнений, представлены в консервативной орме. Температурная неравномерность плотности учитывается ис-очником свободноконвективной завихренности. Турбулентные пэ-еносные коэффициенты определяются из алгебраической модели или з решения двухпараметрической к-* модели турбулентности:

- в -

ггт

вт . -m в t -m , iJ r -m O f m ЭТ 1 ^ í f ОТ }

ж* у. ^C у V) + лгМ " y ър[у « afy J ♦ 3*1." к J

+ Q

зг + fec vy" ) + fcc ) - ?y( y-m 5yC y"1"-)] ♦ ^тС ^ 3

+ Gr•Re"* g

Йк -m 0 r m O r . -m в f mV вО . в íi» fikT

«С + У йуО V3 + ЖсМ - У 3^1 У ^ JSyJ + ^J

. -m д f m . O r i -m í f m У 0c1 . í fp

Ж * У i*(y vyO + "У 3yl y — *?} * 2x(cT" ^

+ С f- P - с f-íc Г к ж*к

«flv - Ov , tfy ív .1«

Co- 0,00) C^- 1,44i Ctt-l,í>2; 1; Prt. 1; c^-1.3

-m Ó4> -m Ow

У & V " y " " V

« - „^ г^- CB

В системе (1-2): m = О соответствует плоско«, о = 1 осесимметричной системе координат. Переносные свойства у creí описываются логарифмическим законом стенки.

В 1.2 разнострые уравнения представлены в операторном bi

з, соответствующем опэраторному виду исходных дифференциаль-я уравнения.Консервативная разностная аппроксимация исходных равнений получона цнтогро-инторполящонньпд методом, значения зрзнос1г.!Ы2 пэрзмзтшх па гранях контрольного объема взяты в онео1гпшнсгд члене везрх по потоку. Стационарное решение урэв-эшй находится итерационны?} методом переменных направлений. В равнениях для завихренности и тогшэратуры роль итерационного арамэтра выполняет шаг по времени, в ураЕнанхет для функции ока - набор итерационных параметров, оптимизированных по 1Нор-ану.

Аппроксимация уравнений для градиента давления сделана лгебраически эквивалентной аппроксимации уравнения переноса авихренности, что обесгоч1шаэт независимость вычисления пере-:ада давления между двумя точками от пути интегрирования, йеэнство нулю дивергенции скорости выполняется для разностных налогов.

Во второй, главе построена численная модель печного инжэк-'ора. Система уравнений решается с эффективной турбулентной ¡язкостью, получаемой из алгебраической модели (2J_). Значения »авихренности вблизи твердой стенки определяются из логариф-¡ичоского закона и затем сшиваются с решением уравнений Навье-¡токса для центрального ядра потока на каждом временном шаге. 1ля вычисления неизвестного значения функции тока на одной из "раниц реализован специальный алгоритм (2J2). В 2¿3 приводятся зозультаты моделирования. На рис. 1 представлены расчетные за-

- в -

висимоста кратности рециркуляции от положения всасывающего ка нала для различных отношений диаметров сопла и камеры смэша ния.

В третьей главе обсуждаются вопросы численного моделиро вания конвективного теплообмена в каналах. Отрывное течение осесиммвтричном канале (3.1) моделируется с использованием к-модели турбулентности. Течение в шалевом канале (3.2) описан алгебраической и к-« моделью турбулентности, граничные знача ния определяются из уравнений стенки. Результаты численног иоделирования сопоставлены с экспериментальными данными.

На рис.2 приведены линии тока и изотермы в щзлэвом канал причем нижняя футерованная стенка счетается теплоизолирован ной, а верхняя представляет собоа водоохлаждаеыый свод с пос тоянной температурой.

В четвертой главе представлены результаты исслэдовани конвективного теплообмена в скоростной печи струйного нагрева В 4.1 построена математическая модель процесса. Задача рассмз тривается в плоской постановке. В 4.2 изложен метод решения Для определения значения функции на внутренней границе двусвя ной области реализован специальный алгоритм. В основе метод решения заложен тот факт, что в поле течения циркуляция гра давнта давления по любому замкнутому контуру равна нулю. В 4.. обсуждаются результаты численных экспериментов, анализируете влияние различных параметров на качество нагрева металла. Ре зулътаты иллюстрируются картинами течения: линий тока, поле:

- о -

температур, графиками дал ргзлтчньпс режимов.

Ка рис.3 приведено распределение турбулентных чисел Нуо-сольта вдоль поверхности цилиндрической заготовки при различном полегания цилиндра в камере шчи. Кривая, помеченная чроуголь-никаш, ссотвэтствуот центральному полояэнко заготовки з каг-"о-рэ, 1фивая без меток - смешанному к задней стенкэ. Лизлж рисунка позволяет оцэшггь степень влияния геомотрил ргбочзго пространства нэ равномерность нагрэЕа.

Пятая глава посвящена численному ксслэдовангзо коньоктав-ного теплообмена в термической шчи пзркодачзского дзпствнл для точного нагрева ответственных изделий. В 5.1 дана постановка задачи. В 5.2 построена математическая г.юдзль лучнсто-конвотстивного переноса топлэ з далоЕъа газах. Со^ктивпоз кз-лучошгэ даровых газов учтено в эффективной подз.ш лучистой теплопроводности:

3 , - »« * < Та у т>

гДЗг { - длина пробега по Росселанду:

г г 1 г~г -д Г-, 13 ив 1Н> ■ I ■ I — ОСи> Йи, ССи) " - -, и я —,

а . 4 ,, -ич| кТ

о I» 4 п С1 —о )

В 5.3 представлена численная модель конвективного теплообмена в рециркуляционной термической печи периодического действия. Система уравнений смешанной, конвекции в рабочем пространстве шчи решается с эффективными коэффициентами.

В Б.4 обсуждаются результаты численных экспериментов. Генератором теплового и динамического импульса являются скоростные туннельные горелки со скоростью истечения продуктов сгорания ~ 100 м/с и температурой - 1600 К. Температура садки л ог-равдзния приняты постоянными, анализируется поле температур ! пзчп к распределение теплового потока по поверхности садца: Проведаны параметрические исследования теплообмена б почп, ги явлэно влияние геометрических и режимных факторов на качеств термообработки. На рис.4, 5 представлены линии тока и изотер;,: для конструкции с двухрядным по высоте и диагональным располо из низ г.! горелок, положение верхней горелки оказывает существен ноо влияние на равномерность распределения теплового поток вдоль поверхности садки (рис.5). На рис.6 изображены лини тока и изотермы для оптимальной в определенном смысла конфигу рации рабочего пространства рециркуляционной термической пзч В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. В рамках ППП Нептун разработана численная модель пэчног инжектора, проведено параметрическое исследование разлия ных режимов течения, выявлена зависимость гвдродшшличэс кик характеристик от геометрических параметров.

2. В целях тестирования проведено моделирование течения впе кое несжимаемой жидкости в каналах. Продемонстрироваг удовлэтворитольноо совпадение численных расчетов с рс зультатами натурных исследований.

3. Разработана числэнная модель конвективного теплообмена

скоростной печи для нагрева заготовок атакующими струями. Выявлено влияние конструкции рзбочего пространства пзчи на характер теплообмена.

Построена математическая модель лучисто-конвективного го-рзноса тепла в дымоеых газах, учитывающая селективное из-лучзние дымовых газов в приближении лучистой теплопроводности. Проведаны параметрические исследования тэплообт-за, выявлено влияние конструктивных и реная.шых факторов на качественные показатели работы термической шчи периодического действия.

Список работ по теме диссертации:

1. Курносов В.В. Математическое моделированке теплообмена в термической пэчи периодического дэёстеип // Конструкции, катоды монтажа и эксплуатации тержческих и нагревательных пэчей: Сб.научн.трудов/ВНИПИТеплопроект. М., 1887. -С.52-61.

2. Курносов В.В. Математическое моделирование конвективного теплообмена в пэчи струйного нагрева // Кнтосификация то-плообканньгх процессов в печах: Сб.научн.трудов/ ВНИПИТеп-лопроект. Н., 1989. - С.45-50.

3. Герасимов Б.П., Калачинская И.С., Курносов В.В., Стотеэк Э.Б. Численное исследование конвективного теплообмена при нагреве цилиндрической заготовки в пламенной пэчи // Препринт ИПМат. им. Н.В.Келдыша АН СССР. М.„ 1990. - С.20.

i. Энно U.K., Курносов В.В. Анализ особенностей скоростного струйного нагрева заготовок в кузнечных почах // Кузноч-но-штамповочное производство. 1090. № 10. С.25-26. Б. Герасимов Б.П., Калачинская И.С., Курносов В.В. Численноэ исследование инжвкционного устройства // Препринт 1'ПМат. им. М.В.Кедцыша АН СССР. М., 1992. - C.U. 0. Разработать и внедрить точи в блочно-модульном исполнении для интенсивного радиациойно-конвактивного нагрева заготовок из стали и сплавов // Асцатуров В.Н., Шабашев В.А., Курносов В.В. и др. / Отчет о НИР, Ш гос. регистрации 018 8.0072742.

Рис.1. Зависимость кратности рециркуляции от положения всасывающего канала.

Рис.2. Линии тока и :г:>отор;ш з щолэвом капалэ.

Ни

Рис.3. Распределение турбулентных чисел Нуссельта вдоль поверхности цилиндрической заготовки.

Ркс.в. Линии тока и изотермы.

v?