автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование, численное исследование и разработка технологии газодинамической температурной стратификации сверхзвуковых дисперсных потоков

На правах рукописи

ЦВЕТОВА ЕКАТЕРИНА ВЛАДИМИРОВНА

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТРАТИФИКАЦИИ СВЕРХЗВУКОВЫХ ДИСПЕРСНЫХ ПОТОКОВ

Специальность: 05.13.18- Математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 АПР 2015

005567254

Ульяновск - 2015

005567254

Работа выполнена на кафедре «Теплоэнергетика» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновский государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук

Ковалыгогов Владислав Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева/), профессор кафедры «Теплотехники и энергомашиностроения» Байгалиев Борис Ергазович

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Самарский архитектурно-строительный университет», доцент кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция»

Цынаева Анна Александровна

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Казанский государственный

энергетический университет»

Защита диссертации состоится « 20 » мая 2015 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.278.02 при ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет», расположенном по адресу: г.Ульяновск, ул. Набережная реки Свияги, 106, корп. 1, ауд. 703.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ульяновского государственного университета и на сайте ВУЗа - http://ppo.ulsu.ru, с авторефератом — на сайте ВУЗа http://ppo.ulsu.ru и на сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации - http://vak.ed.gov.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 432017, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, д. 42, УлГУ, Отдел подготовки кадров высшей квалификации.

Автореферат разослан « » 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.278.02

кандидат физико-математических наук, доцент У Волков М.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Газодинамическая температурная стратификация1,2 представляет собой разделение термически однородного газового потока на «горячую» и «холодную» составляющие за счёт перераспределения энергии высокоскоростного течения с использованием вихревого эффекта Ранка-Хилша3, волновых процессов, резонансной накачки, эжекционного и других эффектов. Эффективная реализация газодинамической температурной стратификации является резервом совершенствования современных теплотехнологий и теплотехники, обеспечивая новые возможности, связанные с организацией тепловой защиты элементов энергомашин от воздействия высокотемпературного рабочего тела, а также рециркуляции отработанного теплоносителя.

Суть процесса газодинамической температурной стратификации сверхзвукового потока поясняет схема на рис. 1. Термически однородный поток поступает во входную камеру I, механически разделяется на две части с помощью разделительной стенки 3, при этом первая часть поступает в тракт 2, а вторая — через сверхзвуковое сопло 4 в сверхзвуковой тракт 5. При коэффициенте восстановления температуры потока меньшего единицы температура стенки 3 со стороны тракта 5 сверхзвукового потока (температура восстановления Тг2) будет меньше температуры торможения Т * со стороны тракта 2 дозвукового потока. Полученная разница температур приводит к возникновению теплового потока <7 от дозвуковой части течения к сверхзвуковой.

Рис. 1. Схема газодинамической температурной стратификации: I — входная камера; 2 — тракт дозвукового течения; 3 — разделительная стенка; 4 — сверхзвуковое сопло; 5 - тракт сверхзвукового течения; р* — давление заторможенного потока, МПа; Т *— температура заторможенного потока, К; 7"г/ — температура восстановления в дозвуковом тракте, К; Тг2 - температура восстановления в сверхзвуковом тракте, К; М1 - число Маха в дозвуковом тракте; М2 - число Маха в сверхзвуковом тракте

1 Цынаева A.A. Численное исследование температурной стратификации / A.A. Цынаева //

2 Бурцев С.А. Методика расчета устройства газодинамической температурпой стратификации / С.А. Бурцев // Тепловые процессы в технике. - 2013. - №9. - С. 386-390.

3 Белоусов A.M. Вихревая труба Ранка-Хилша как перспективное устройство получения низких температур / A.M. Белоусов, И.Х. Исрафилов, С.И. Харчук // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Холодильная техника и кондиционирование. - 2014. - №2(36). - С. 62-66.

Для повышения эффективности температурной стратификации на кафедре «Теплоэнергетика» Ульяновского государственного технического университета впервые применён в качестве рабочего тела дисперсный поток4. При этом в условиях направленного поперечного (инерционного) перемещения частиц в пограничном слое происходит существенная интенсификация теплоотдачи, а в сверхзвуковом потоке такая интенсификация сопровождается уменьшением коэффициента восстановления температуры. Эти факторы способствуют увеличению теплового потока через стенку, разделяющую тракты дозвукового и сверхзвукового потоков, и повышению эффективности температурной стратификации5.

Дороговизна натурных экспериментов по отработке технологии газодинамической температурной стратификации требует разработки адекватного математического обеспечения для исследования процесса посредством вычислительного эксперимента. Поэтому тема работы, посвященная математическому моделированию, численному исследованию и разработке технологии газодинамической температурной стратификации сверхзвуковых дисперсных потоков, является актуальной.

Объектом исследования является процесс газодинамической температурной стратификации дисперсного потока, математические модели, описывающие этот процесс.

Предметом исследования является разработка проблемно-ориентированного программного комплекса для прогнозирования эффективности процесса газодинамической температурной стратификации и отработки её технологии.

Цель работы - комплексное исследование проблемы повышения эффективности газодинамической температурной стратификации дисперсного потока на основе математического моделирования и вычислительного эксперимента с разработкой технических и технологических решений по её реализации.

Эта цель достигается решением следующих задач:

1. Разработка математической модели и метода для численного исследования процесса газодинамической температурной стратификации дисперсных потоков.

2. Реализация разработок по п. 1 в проблемно-ориентированном программном комплексе для исследования посредством вычислительного эксперимента эффективности газодинамической температурной стратификации.

3. Комплексное исследование влияния на эффективность газодинамической температурной стратификации технологических параметров процесса с разработкой технических и технологических решений по её реализации.

4 Лаптев А.Г. Модель переноса мелкодисперсной фазы в турбулентных газовых средах / А.Г. Лаптев, М.М. Башаров, А.Р. Исхаков // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - №14. - Т.15. - С. 96-99.

5 Цынаева A.A. Исследование методов иятенсификади теплообмена в трубе температурной стратификации / A.A. Цынаева, Е.А. Цынаева, Е.В. Школин // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. -2013. - №4. - С. 44-46.

Методы исследования. Реализация цели и решение поставленных задач обеспечены применением современных методов исследования, базирующихся на основных положениях теории пограничного слоя, тепломассообмена, гидрогазодинамики, математического моделирования и численных методов.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в создании математической модели процесса газодинамической температурной стратификации дисперсных потоков, в реализации алгоритма и процедур численного исследования эффективности процесса в оригинальном проблемно-ориентированном программном комплексе (свид. о roc. per. программы № 2014616623), в комплексном исследовании технологических параметров процесса на эффективность газодинамической температурной стратификации, а также в разработке нового технического решения (патент РФ № 2501767 на изобретение) по применению газодинамической температурной стратификации для регенерации сушильного агента при конвективной сушке керамических изделий, обеспечивающего повышение её энергоэффективности.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель процесса газодинамической температурной стратификации дисперсных потоков, учитывающая влияние дисперсных частиц на процессы турбулентного переноса теплоты и количества движения.

2. Алгоритм и процедуры численного исследования эффективности процесса газодинамической температурной стратификации.

3. Проблемно-ориентированный программный комплекс для моделирования и исследования эффективности газодинамической температурной стратификации.

4. Результаты численного исследования влияния технологических параметров на процесс газодинамической температурной стратификации и его эффективность.

5. Новое техническое решение по применению газодинамической температурной стратификации в технологическом процессе конвективной сушки.

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в возможности исследования эффективности газодинамической температурной стратификации дисперсных потоков и отработки её технологии при помощи разработанного проблемно-ориентированного программного комплекса, а также в использовании в инженерных расчётах устройств газодинамической температурной стратификации зависимостей для расчёта плотности теплового потока при использовании дисперсного рабочего тела, в том числе с учётом оребрения поверхности, полученных в результате обобщения данных вычислительного эксперимента. Предложенный новый способ сушки керамических изделий с регенерацией сушильного агента в трубе газодинамической температурной стратификации по патенту РФ № 2501767 позволит повысить энергоэффективность процесса сушки и минимизировать брак керамических изделий.

Достоверность полученных результатов обеспечена сопоставлением полученных расчётных данных с экспериментальными и расчётными данными,

полученными ранее другими авторами и тщательным тестированием программного комплекса.

Реализация результатов работы. Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту № 12-08-31530 мол а «Исследование газодинамической температурной стратификации дисперсных потоков и разработка техники для её реализации» и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Участник молодёжного научно-инновационного конкурса» по проекту «Разработка устройства газодинамической температурной стратификации дисперсных потоков».

Отдельные разработки и технические решения, полученные в диссертации, отмечены медалью «За лучшую научно-исследовательскую работу» Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области математических наук и дипломом 1-й степени V-ой Международной молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения». Разработанный программный комплекс и методические разработки, связанные с исследованием эффективности газодинамической температурной стратификации, используются в учебном процессе подготовки бакалавров по направлению 14010062 «Теплоэнергетика и теплотехника».

Апробация работы. Основные результаты исследования доложены на научно-технических конференциях Ульяновского государственного технического университета (Ульяновск, 2009 - 2014 гг.); XVII, XVIII и XIX Школах-семинарах молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН

A. И. Леонтьева (Жуковский, 2009 г.; Звенигород, 2011 г.; Орехово-Зуево,

2013 г.); V Международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы транспорта» (Ульяновск, 2009 г.); V, VI Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2010 г.; Москва,

2014 г.); VII Школе-семинаре молодых учёных и специалистов академика РАН

B.Е. Алемасова (Казань, 2010 г.); V Международной молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2010 г.); XIV Минском международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, 2012 г.); Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области математических наук (Ульяновск, 2012 г.); VIII Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники» (Киев, 2013 г.); VII Международной школе-семинаре молодых учёных и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» (Москва, 2014 г.); научно-технических семинарах кафедры теплоэнергетики в 2013 - 2014 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых изданиях по списку ВАК, 1 патент РФ на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программного продукта.

Личный вклад автора. Все работы по теме диссертации осуществлены автором или при его основном участии: постановка задачи, выбор и разработка метода решения, проведение расчётов, обработка и обобщение полученных результатов, формирование выводов и заключения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы (134 наименований) и приложений, включает 124 страницы машинописного текста, 20 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введепии обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость, представлены основные положения, выносимые на защиту, кратко проаннотировано содержание и структура диссертации.

В первой главе выполнен анализ научно-технической информации по проблеме исследования и повышения эффективности процесса газодинамической температурной стратификации. Рассмотрены особенности движения и теплообмена дисперсных потоков, а также влияние дисперсности потока на коэффициент восстановления температуры и теплоотдачу потока.

Анализ научно-технической информации по теме диссертации показал, что в литературе представлены отдельные исследования эффективности процесса газодинамической температурной стратификации на однородном рабочем теле. Работы, посвящённые исследованию процесса газодинамической температурной стратификации на дисперсном рабочем теле, практически отсутствуют.

Значительный вклад в развитие теоретических представлений о температурной стратификации внесён работами А.И. Леонтьева, С.А. Бурцева, H.H. Ковальногова, Э.П. Волчкова, М.С. Макарова. Логическим развитием этих работ стало настоящее исследование.

Для количественной оценки эффективности процесса газодинамической температурной стратификации (см. рис. 1) целесообразно использовать плотность q теплового потока через разделительную стенку:

q = к(Тг1 - Тт2),

О)

где к = —-—--коэффициент теплопередачи через разделительную стенку,

1/сг1+1/а2

ВтДм2 • Каг, а2 — коэффициенты теплоотдачи потока в дозвуковом и сверхзвуковом тракте соответственно, ВтДм2 • КТт1, Тг2 - температура восстановления в дозвуковом и сверхзвуковом тракте соответственно, К:

ТГ1 = Г1+г1(Г-Г1); Тг2 = Т2 + г2(Г - Т2), (2)

где Т1, Т2 - термодинамическая температура потока в дозвуковом и сверхзвуковом тракте соответственно, К; гг, г2 - коэффициент восстановления температуры в дозвуковом и сверхзвуковом тракте соответственно; Т*- температура заторможенного потока, К.

Следует заметить, что изученные в литературе способы повышения эффективности температурной стратификации обеспечиваются за счёт фактора коэффициента восстановления температуры, при этом коэффициент

теплопередачи уменьшается за счёт снижения коэффициента теплоотдачи потока при уменьшении числа Прандтля или за счёт вдува газа в пограничный слой, что снижает положительный эффект. Для повышения эффективности температурной стратификации следует стремиться также увеличивать коэффициенты теплоотдачи И] и «2, которые определяют коэффициент теплопередачи к.

Для удобства дальнейшего анализа критерий эффективности (1) использовали в безразмерном виде:

5 = й-дТ, (3)

где Ц = ц/<70; к = к/к0; ДГ = ДГ/ДТ0.

Под я0,к0,АТ0 приняты значения, достигаемые при числе Прандтля Рг0 = 1; коэффициенте теплопроводности Л0 = 0,025 Вт/(м-К); показателе адиабаты у0 = 1,4; газовой постоянной й0 = 287 Дж/(кг-К); предельных параметрах в тракте сверхзвукового потока (а2 = Тг2 = 0) и критических параметрах в тракте дозвукового потока. Для этих условий имеем ко = «окР: ТГ1 = Г; ДТ0 = Т".

По результатам анализа научно-технической информации поставлена цель и сформулированы задачи диссертационного исследования.

Во второй главе представлена математическая модель высокоскоростного дисперсного пограничного слоя, обеспечивающая возможность определять термодинамические температуры Тг, Т2 и коэффициенты теплоотдачи аг, а2 в трактах устройства газодинамической температурной стратификации, и разработана методика численного исследования, а также приведены результаты тестовых расчётов.

Движение высокоскоростного потока в тракте переменного сечения моделировали на основе теории пограничного слоя как движение несущей среды, подверженной аэродинамическому и тепловому воздействию частип дисперсной фазы (рис. 2).

иа,т0

я, р. р,; 1 : и,^

Г„

V 6 б-р

Рис. 2. Схема пограничного слоя в тракте устройства газодинамической температурной стратификации: 5,8Т - толщины динамического и теплового пограничного слоя соответственно, м.

Расчёт плотности теплового потока проводим для рабочего участка устройства газодинамической температурной стратификации (на котором скорости движения рабочего тела в дозвуковом и сверхзвуковом трактах поддерживаются неизменными) на основе решения системы дифференциальных урав-

нений, описывающей движение высокоскоростного потока с воздействиями, включающей:

- дифференциальное уравнение энергии:

/ дТ дТ\ д Г ЗГ1 , „ /ди\2 dp

рср =d(A ++ ^+^ У +итх+^-'

ду/ ду I ду

- дифференциальное уравнение движения:

(4)

/ ди ди\ д \ дх V ду) ду

ди1 dp

+ + (5)

ду1 ду

— дифференциальное уравнение неразрывности:

д(ри) | (1 (pv) ^ Q (6)

дх Зу

- а также уравнение состояния:

P = P/(RT), (7)

где (х - динамический коэффициент вязкости, Па ■ с; р - плотность несущей среды, кг/м3; ср - удельная изобарная теплоёмкость, Дж/(кг-К); R — газовая постоянная, Дж/(кг-К); X — коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); р - давление потока, МПа; и — продольная составляющая скорости, м/с; v - поперечная составляющая скорости, м/с; Т- термодинамическая температура потока, К; х - продольная координата, м; у - поперечная координата, м; \т~ коэффициент турбулентного переноса теплоты, ВтДм-К); |лг- коэффициент турбулентного переноса количества движения, Па ■ с; sv — член, характеризующий интенсивность внутренних источников количества движения, н/м3;

qv - член, характеризующий интенсивность внутренних источников теплоты, .3

Граничные условия на поверхности стенки задавали следующим образом:

дТ

у = 0:и = 0; v = 0; — = 0. (8)

ду

Вт/м

Граничные условия на внешней границе пограничного слоя задавали в

виде:

ди дТ

Граничные условия в исходном сечении пограничного слоя имеют вид:

х = 0,у>0:и=ио;Т = То. (10)

Коэффициенты турбулентного переноса количества движения \\т и теплоты Хт определяли на основе модифицированной модели пути смешения:

I = эеу, (11)

где I - длина пути смешения, м; ж - константа Прандтля-Кармана.

При этом коэффициент ае определяли зависимостью

Ковальногова H.H.:

__ОЛ_

~ 1 I 21 1 U<° ди°>/дх ' ' и0 (ди/ду)у=0

где щ — значения скорости потока в начальном сечении, м/с; и„ - значение скорости за пределами пограничного слоя, м/с.

При расчете Лг и цт учитывали изменение турбулентного числа Прандтля Ргг по толщине пограничного слоя с помощью выражения:

аз(1 - expi-rj/26)) 0,44(1 - едф(—77/34)) '

п„ __.

Т ~ П 44(1 - mU /44^' (13)

где г] — безразмерная координата; V, = - динамическая ско-

рость, м/с; Ту, - касательное напряжение трения на поверхности стенки, Н/м2.

Интенсивности внутренних источников теплоты и количества движения 5У определяли соответственно по выражениям:

6 у- аБ1рв1 ЧУ= — / —1— (Уз1 ~ Т) ,

Р»Ы (14)

з р у Рв1 см . .

¡^1 (15)

где а51, с^ — коэффициент теплоотдачи, ВтДм2-к|, и коэффициент сопротивления конденсированных частиц дисперсной среды; р& - плотность конденсированной фазы (масса конденсированных частиц, в единице объёма среды), кг/м3; Рв ~ плотность вещества частиц,кг/м3; и5, Т5 - скорость (м/с) и температура частиц, К.

Параметры р$,и5, ТБ определяли методом последовательных приближений по результатам расчёта траекторий и параметров частиц п выделенных фракций

в заданном поле несущей среды. В число этих фракций включали представительную фракцию со среднемассовым диаметром частиц Температуру Тзт и скорость щт частиц представительной фракции использовали для расчёта комплексов А и В:

А = ЧУ/(Тт — Г); В = «„/(«яп - «)■ (16)

Комплексы А и В изменяются слабее значений ц^ и 5„ как по толщине пограничного слоя, так и в разных итерациях при уточнении поля течения несущей среды. В связи с этим найденные в предыдущем приближении величины комплексов А и В усредняли по исследуемому сечению пограничного слоя и усреднённые значения а и Ъ комплексов Л и В использовали для определения локальных параметров и по выражениям:

Чу = я(Г5т - ТУ, = Ь(щт - и). (17)

Профили скорости и5т и температуры Тзт частиц представительной фракции в сечениях пограничного слоя аппроксимировали зависимостями:

Иутп = Щт«> [<Ри + (1 - СРи)

Тзт = Т5та, [(рТ + (1 - 4>т) (19)

где <ри, <рт - коэффициенты скольжения фаз по скорости и температуре частиц соответственно.

Коэффициенты фи и <рт могут изменяться в диапазоне от 0 до 1 и зависят в основном от толщины пограничного слоя, размеров частиц и скорости их поперечного перемещения. Расчётное исследование в настоящей работе выполнено для условий <ри = (рт = <р5, где параметр ср3 - коэффициент скольжения фаз по параметру инерционного выпадения частиц.

По результатам численного интегрирования системы дифференциальных уравнений (4) - (6) с учётом условий однозначности (7) - (19) определяли профили скорости и температуры в сечениях пограничного слоя, адиабатную температуру стенки, коэффициент восстановления температуры и теплоотдачу к стенке. Эффективность газодинамической температурной стратификации определяли по формуле (1) по результатам расчётов пограничного слоя в дозвуковом и сверхзвуковом трактах в соответствии с алгоритмом (рис. 3, а). Процедуры расчёта пограничного слоя дисперсного потока в трактах устройства представлены на рис. 3,6. Представленный алгоритм и процедуры реализованы в программном комплексе.

НАЧАЛО

т

Ввод исходных данных (То, uo, Q,G,...)

Расчет пог раничного слоя дозвукового тракта и определение Tlß Тг1, а,

Расчет пограничного слоя сверхзвукового тракта и определение Т2,ТГ2,а2

I

Расчет эффективности газодинамической температурной стратификации ( q~) по формуле

(3)

т

т

КОНЕЦ

С^НАЧАЛсГ^)

Генерация расчетной сетки

х = 0; задание параметров в начальном сечении

х + Ах

Задание начального приближения профилей ип, Тп

Определение прогоночных коэффициентов для уравнений движения, энергии и неразрывности *

Обратная прогонка и определение профилей и, Т

а)

Рис. 3. Блок-схема алгоритма определения эффективности газодинамической темпера-турпой стратификации (а) и процедуры расчёта пограличиого слоя дисперсного потока в трактах устройства (б)

Тестирование программного комплекса выполняли путём сопоставления расчётов коэффициента восстановления температуры, теплоотдачи и эффективности процесса газодинамической температурной стратификации с известными данными П.Н. Романенко, H.H. Ковальногова (рис. 4).

а б

Рис. 4. Тестовые расчеты: а) для дозвукового однородного штока число Нуссельта; о - расчёт по предлагаемой методике (М = 0,1; р*=0,5 МПа); б) коэффициент восстановления температуры в сверхзвуковом однородном потоке: сплошная линия - расчёт по предлагаемой методике М = 2,4; ° - экспериментальные данные Романенко П.Н. (обтекание пластины воздухом с числом М = 2,4 )

Сравнение результатов расчёта теплоотдачи однородного потока воздуха при дозвуковой скорости с соответствующим уравнением подобия представлено на рис. 4, а. Проведённое сопоставление результатов позволяет говорить об удовлетворительном согласовании данных расчёта на дозвуковой скорости с уравнением подобия. На рис. 4, б приведены результаты тестовых расчётов обтекания пластины сверхзвуковым однородным потоком. Расхождение результатов численного расчёта и эмпирических данных по коэффициенту восстановления температуры не превышает 5%.

В диссертации также проведено сравнение экспериментальных и расчётных результатов для сопла, в котором имело место инерционное выпадение частиц на стенку.

Третья глава посвящена результатам численного исследования влияния на эффективность газодинамической температурной стратификации технологических и конструктивных параметров и их оптимизации.

Влияние на эффективность температурной стратификации вида рабочего тела и числа Маха М2 в сверхзвуковом тракте иллюстрирует рис. 5. Как видно из рис. 5, а относительный тепловой поток Ц в зависимости от числа Маха М2 изменяется по кривой с максимумом для всех проанализированных рабочих тел. Максимум передаваемого теплового потока достигается при М2 ~ 2,5. Наибольший передаваемый тепловой поток имеет место при использовании в качестве рабочего тела гелия, но даже он не превышает значения 0,06, что свидетельствует о низкой эффективности процесса стратификации при использовании однородных потоков.

Рис. 5. Влияние на эффективность газодинамической температурной стратификации вида рабочего тела, числа Маха в сверхзвуковом тракте (а) и конденсированных частиц (б): 1 - аммиак; 2 - воздух; 3 - водород; 4 - гелий; 5 - дисперсный поток при 6=5-10"8; 6-5-10"7; 7- 5-Ю"6; сплошпые линии - Яе^г = Ю7; пунктир - 108

На рис. 5, б приведены результаты расчётов, полученных при том же значении числа Мх= 0,5 для дисперсного рабочего тела, в котором транспортирующей средой был воздух. Как видно, относительный тепловой поток Ц при использовании дисперсного рабочего тела существенно увеличен по сравнению с однородным потоком.

По результатам выполненного в диссертации исследования установлено, что безразмерная плотность теплового потока Ц, характеризующая эффективность устройства газодинамической температурной стратификации, определяется десятью параметрами: показатель адиабаты у; число Прандтля Рг; числа Маха в дозвуковом и сверхзвуковом трактах соответственно М1,М2; обобщённая переменная, имеющая смысл критерия подобия, характеризующего влияние конденсированных частиц б; число Рейнольдса в сверхзвуковом тракте Ие^з; безразмерный коэффициент теплопроводности Я1/Я0; безразмерная газовая постоянная число Био ЕЛ; относительная длина ребра 1/8 из которых четыре (у, Рг, Я1/А0, Я/И0) являются связанными используемым рабочим телом. Таким образом, в анализируемых условиях оптимизацией семи параметров может быть обеспечена максимальная эффективность процесса температурной стратификации, при которой относительный тепловой поток ц достигает максимального значения.

Приведённые на рис. 6 результаты получены для Вг=0,1. Из их анализа следует, что оребрение поверхности теплообмена приводит к существенному повышению эффективности температурной стратификации.

Так при 1/8 = 5 максимальное значение передаваемого теплового потока увеличивается по сравнению с неоребрённой поверхностью в 1,92 раза.

Рис. 6 Влияние числа Маха Мг и относительной длины рёбер на температурную стратификацию в дисперсном потоке: 1 -4/8 = О (без ребер); 2 - 2; 3 - 5; 4 - 10

О 1 2 3 4 5 М2

Оптимизация влияющих параметров, выполненная для дисперсного потока при Яекх — 107, С — 5 ■ Ю-7, ЕИ=0,1, позволила найти оптимальные значения параметров: Рг = 0,551; М1=0,761; М2 = 2,625; 1/8 — 5,205. Оптимальным значениям влияющих параметров соответствует максимальное значение функции цели Ц — 0,2413.

Четвертая глава содержит материал по практическому применению газодинамической температурной стратификации в технологическом процессе сушки керамических изделий для регенерации отработанного сушильного агента. Соответствующий способ защищен патентом РФ на изобретение № 2501767. Отработанный сушильный агент из сушильной камеры подают в разделительную камеру 4 трубы газодинамической температурной стратификации (рис.7, б), в которой он механически разделяется на два потока, которые направляются во внешний дозвуковой канал 6 и внутренний сверхзвуковой канал 8, где происходит его осушение и нагрев.

Дисперсные частицы, поданные навстречу потоку сушильного агента, являются центрами конденсации. Затем сушильный агент во внутреннем сверхзвуковом канале проходит через сверхзвуковой диффузор и направляется в выходной патрубок внутреннего сверхзвукового канала.

В свою очередь, дозвуковой дисперсный поток, проходя через внешний дозвуковой канал, направляется к выходному патрубку внешнего дозвукового канала. При этом дисперсный поток, проходя через сверхзвуковое сопло, приобретает скорость, большую скорости звука. Далее сверхзвуковой дисперсный поток проходит устройство для закрутки сверхзвукового дисперсного потока, расположенное во внутреннем сверхзвуковом канале.

В закрученном дисперсном сверхзвуковом потоке дисперсные частицы под воздействием центробежных сил инерционно выпадают на стенку внутреннего сверхзвукового канала. Осушенный сушильный агент отбирают из сверхзвукового канала трубы газодинамической температурной стратификации. Затем пропускают через пылезолоуловитель, где задерживается влажная дисперсная фаза. Регенерированный таким образом сушильный агент через устройство подготовки и раздачи сушильного агента по зонам сушильной камеры возвращают в сушильную камеру.

С учётом полученных результатов для предотвращения появления сколов и трещин в керамических изделиях рационально на начальной стадии процесса сушки применять сушильный агент с повышенной влажностью 15...30 % и пониженной температурой 300...315 К, в заключительной стадии необходимо применять сушильный агент с повышенной температурой 330.. .370 К и пониженной влажностью (до 10 %). Длительность и энергозатраты процесса сушки, а также недопустимость образования трещин являются важными критериями выбора параметров сушильного агента.

а)

ОСА

РСЛшшп

Рис. 7. Технологическая схема (а) реализации процесса конвективной сушки керамических изделий с регенерацией сушильного агента и труба газодинамической температурной стратификации (б): 1 - сушильная камера, а, б, в - зоны сушильной камеры; 2 - труба газодинамической температурной стратификации;

3 — устройство подготовки и раздачи сушильного агента по зонам сушильной камеры; 4 — разделительная камера; 5 - сверхзвуковой диффузор; РСА-у, 6 — дозвуковой канал; 7 - устройство —* для закрутки сверхзвукового дисперсного потока; 8 — сверхзвуковой канал; 9 — выходной патрубок дозвукового канала; 10 - выходной патрубок сверхзвукового канала; СА - сушильный агент;

РСАвнгш РС А п]

б)

регенерированный

сушильный агент во внешнем дозвуковом канале и во внутреннем сверхзвуковом канате соответственно; ОСА — отработанный сушильный агент

Регенерированный в трубе газодинамической температурной стратификации сушильный агент целесообразно подавать в зону предварительной сушки, что обеспечивает более «щадящий» режим сушки, минимизирующий возникновение брака изделий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Впервые предложена математическая модель процесса газодинамической температурной стратификации дисперсных потоков, учитывающая влияние дисперсных частиц на процессы турбулентного переноса теплоты и количества движения и обеспечивающая получение количественной оценки эффективности газодинамической температурной стратификации.

2. Разработан алгоритм и процедуры численного исследования эффективности газодинамической температурной стратификации дисперсных потоков, реализованные в оригинальном проблемно-ориентированном программном комплексе.

3. На основе численного моделирования установлено существенное увеличение эффективности газодинамической температурной стратификации до 3,8 раз за счёт использования дисперсного рабочего тела и оптимизации параметров и дополнительного её увеличения в 1,9 раза за счёт оребрения рабочей поверхности и оптимизации размеров рёбер.

4. Разработано новое техническое решение по применению газодинамической температурной стратификации для регенерации сушильного агента при конвективной сушке керамических изделий, обеспечивающее повышение её энергоэффективности.

Публикации в изданиях из перечня ВАК

1. Коаальногов, Н. Н. Оптимизация параметров оребрения рабочей поверхности устройства газодинамической температурной стратификации на дисперсном рабочем теле / Н. Н. Ковальногов, Е. В. Фокеева // Труды Академэнерго. - 2010. - № 2. - С. 22-30.

2. Ковальногов, Н. Н. Оптимизация параметров процесса газодинамической температурной стратификации в дисперсном потоке / Н. Н. Ковальногов, Е. В. Фокеева // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2010.-№11-12.-С.З-11.

3. Ковальногов, Н. Н. Повышение эффективности газодинамической температурной стратификации в дисперсном потоке / Н. Н. Ковальногов, Е. В. Фокеева II Тепловые процессы в технике.-2010. - Т. 2,- № 8. - С. 338-341.

4. Ковальногов, В. Н. Математическое моделирование и исследование эффективности газодинамической температурной стратификации в дисперсном потоке /

B. Н. Ковальногов, Е. В. Цветова, Р. В. Федоров, А. В. Петров // Автоматизация процессов управления. - 2013.-№ 1 (31)2013,- С. 40-46.

Патент и свидетельство о государственной регистрации

5. Пат. 2501767 Российская Федерация : МПК СОВЗЗ/ЗО, Р'26ВЗ/04 Способ конвективной сушки керамических изделий с регенерацией сушильного агента в трубе газодинамической температурной стратификации / Ковальногов В. Н., Павловичева Т. В., Цветова Е. В., Назармагов Р. К.; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный технический университет. - №2012131217/03; заявл. 20.07.2012; опубл. 20.12.2013, Бюл. №35.

6. Свидетельство о государственной регистрации программ, продукта : №2014616623. Программа расчёта эффективности процесса газодинамической температурной стратификации дисперсных потоков / Коватьиогон В. Н., Цветова Е. В., Федоров Р. В. ; Ульяновский государственный технический университет 30.06.2014.

Публикации в прочих изданиях

7. Ковальногов, Н. Н. Влияние природы газа на эффективность газодинамической температурной стратификации / Н. Н. Ковальногов, Е. В. Фокеева // Вестник Ульяновского государственного технического университета. - 2010. — № 2. — С. 67 — 69.

8. Ковальногов, Н. Н. Влияние различных факторов на эффективность газодинамической температурной стратификации в дисперсном потоке / Н. Н. Ковальногов, Е. В. Фокеева // Вестник Ульяновского государственного технического университета. - 2009. — № 1. -

C. 51-64.

9. Ковальногов, Н. Н. Повышение эффективности газодинамической температурной стратификации за счёт использования дисперсного рабочего тела / Н. Н. Ковальногов,

Е. В. Фокеева // Материалы V Международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы транспорта». Ульяновск. - 2009. - С. 64 - 67.

10. Ковальногов, Н. Н. Температурная стратификация в сверхзвуковом дисперсном потоке / Н. Н. Ковальногов, Е. В. Фокеева, JI. М. Магазинник, М. А. Кузьмина // Труды 17-й Школы-семинара молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А .И. Леонтьева. М.: Изд-во МЭИ. - 2009. - Т. 2. - С. 213 -216.

11. Ковальногов, Н. Н. Повышение эффективности газодинамической температурной стратификации в дисперсном потоке / Н. Н. Ковальногов, Е. В. Фокеева // Труды 5-й Российской национальной конференции по теплообмену. М.: Изд-во МЭИ. - 2010. - Т. 8. -С. 142-144.

12. Ковальногов, Н. Н. Численный анализ процесса газодинамической температурной стратификации в дисперсном потоке / Н. Н. Ковальногов, Е. В. Фокеева // Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении. Материалы докладов VII школы-семинара молодых учёных и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова. Казань: Изд. Казанск. ун-та. 2010. - С. 234 - 237.

13. Ковальногов, Н. Н. Повышение эффективности газодинамической температурной стратификации в дисперсном потоке / Н. Н. Ковальногов, Е. В. Фокеева // Труды XVIII Школы-семинара молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева. Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках. М.: Изд-во МЭИ. - 2011. - С. 93 - 94.

14. Ковальногов, В. Н. Моделирование влияния регенерируемого сушильного агента на тегшовлажпостное состояние керамического кирпича в технологическом процессе сушки / В. Н. Ковальногов, Е. В. Фокеева, Т. В. Павловичева // Тезисы докладов и сообщений XIV Минского международного форума по тепло- и массообмену (10-13 сентября 2012 г.). Институт тепло и массообемна им. A.B. Лыкова HAH Беларуси. - Т. 1. -С. 504-506.

15. Ковальногов, В. Н. Способы повышения эффективности газодинамической температурной стратификации / В. Н. Ковальногов, Е. В. Цветова // Учёные записки Ульяновского государственного университета. Сер. Математика и информационные технологии. Вып. 1(5). Ульяновск: УлГУ, 2013. - С. 115 - 120.

16. Ковальногов, В. Н. Численное исследование тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе сушки с регенерацией сушильного агента в трубе температурной стратификации / В. Н. Ковальногов, Е. В. Цветова, Т. В. Карпухина // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Тезисы докладов XIX Школы-семинара молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (20-24 мая 2013г., г. Орехово-Зуево). М.: Издательский дом МЭИ. - 2013. -С. 121-122.

17. Ковальногов, В. Н. Моделирование и исследование эффективности газодинамической температурной стратификации в дисперсном потоке / В. Н. Ковальногов, Е. В. Цветова, А. В. Петров // Промышле1шая теплотехника. - Т. 35. - № 7. - С. 78 - 82.

18. Фокеева, Е. В. Газодинамическая температурная стратификация в дисперсном потоке / Е. В. Фокеева // Материалы докладов V Международной молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения». Казань: Казан, гос. энерг. ун-т. 2010. - Т. 2. - С. 25 - 26.

Подписано в печать 12.03.2015. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 210. Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32.