автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Расчет гидродинамики и теплообмена в каналах со вставками с теплоаккумулирующим материалом

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ,орден& Трудогого Краевого Знаиени Гооударотвеяный технический университет икени Н.Э.Баумана

РАСЧГ ГИДРОДИНАМИКИ Н ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ 00 ВСТАВКАМИ С ТШОАШНУЛЙРУЙЩИЫ НАТЕРИАЛОИ

06.14.06 - Георетичеокаэ оонова теплотехники

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

-Ау—

На правах рукописи

ЗОРИНА ИРИНА ГРИГОРЬЕВНА

Яосква 1993

Раб га вшюдигна в Носковскон ордена Тшаша. орд$за Октябрьской Революции в орхена Трудового Краевого Зналель* Гге?даротвшшон техническом университете ¡ш.Н.Э.Баукаиа.

Научннй руководитель: доктор техннчесяил наук,

Чукаев А.Г.

Офипяалнш? оппонента: , д.т„н..профессор Беннев B.C.

к.т.н. .ст.н.оотр. Пвяупкян С.Н.

Вздувая оргаякздцяя НШГЭкв ёиергетнка"

Эацггч дяоеергадпи состоится " (^ " tO 1993 г. в М часов на ¡заседании опедиалиэировакного оовста при Ж зковоком Государственной техническом * чвверситете вы. И.6. Баумана по алрепу : 107005, г.Нооква, Лефортовская наб., д.1 ф-r "Зпер^иаЕвностроеаев"

О двосе[ ацней «окно озго конитъся в СпблЕстеке упявереитета.

Ваш отзив ва авторефе1 vr, заверелпый печатью, проспи вяол&тъ во адресу: J07006, Москва, 2-ая Баумаяокая ул., л.б, ЮТУ ни. Н.&.Баумана, ученому секретарю специализированного Совета

Автореферат разослан " ^ " . Pff. _ 199Я г.

Ученав секретарь специализированного Совета

Полга. к сеч. iT.Cv.93 Заказ3S6 Объем I л.л. Тж ./00 экз.

J У

Типография НГТУ ви. Н.Э.Баумана

Актуальность тема: В настоящее время остро стоит вопрос о рационально!! использовании топчивяо-анергетичееких ресурсов, о создании н I _шиенении новых нетрадиционных способов получения энергии и еэ утилизации, об использовании ресурсосберегающих процессов а технологий, в том числе и космических.

Важная роль при разработке устройств, предназначениях для решения возникающих при этой задач, отводится вопросам обеспечения оптимальных тепловых режимов оиотем терморегулирования и терыостатирования. С,ществтет обширный класс теплотехнических устройств, входящий в состав этих систем, а которых тепловые процессы сопровождаются фазовыми переходами. Причем такие процессы часто являются ашго- или экзотермическими.

Отличительная черта таких устройств - наличие перемещу яцейоя во времени поверхности раздела, разграничивающей области о различными физическими свойствами, в окрестности которой происходит поглоще: ае или высвобождение анергии. Уоловие на граница раздела фаз делает эту задачу нелинейной даже в случае кусочно-постоянных физических характеристик среда в требует разработка особых методов ее гашения.

Классическим примером задач такого типа ь теории нестационарной теплопроводности является задача Стефана о перемещающейся границей раздела фаз "твердое тело-жидкость", определяем-^ заданной температурой плавления а особым граничным условием.

Расчет процессов тепломассопереноса в системах о подвижными или внешними границами имеет важное значение для целого ряда отраслей современной техгаки, таких как авиационная и ракетно-косннчеокая техни::а, металлургия, производство пищевых продуктов, выращивание кристаллов, электрофорез и т I.

В настоящем иоолэдовании рассматривается проблемы математической физики для нелинейных задач со свободно« границей. Это связано с необходимость® разработки аккумуляторов тепловой внер-гии на основе теплоты фазаних перехилов САФП) систем терморегулирования'ОСТР), предназначенных для поддержания постоялкой температуры в среда о внутренними тепловыделениями или обеспечения повышенной тепловой инерции при циклическая изменениях внешней тепловой нагрузки.

Ззвеотко, что аироки« применение АФИ, копальзув«зг теплоту ' ' . . I

плавленг . материалов в установках для утилизации теплоты отработанных газов, в системах обогрева и охлаждения промышленных и килнх зданий и сооружений, при охлаждении радиоэлектронного Приенно-перелающего оборудования, ЭВМ, оиотем терморегулирования космических аппаратов в в целом ряде других случаев, обусловлено отсутствием в их конотру» они громоздких и додвиятшк устройств, налогаСарнтноотью и экономичностью.

Теоретическому и ек . лерииентальноиу исследовании теплообмена в АФП, разработке методов их расчета и анализу протекающих процессов посвящено больше количество работ как отечественных так и зарубежных исследователей. Нх анализ показывает, ч. э да недавнего времени основным механизм г переноса теплоты в процессах плавления считалась теплопроводность. Однако экспериментальные работы последних лет показали, что сод действием сил тяжеоти н из-за неоднородности температуры жидкой фазы в ней возникает естественная конвекция, приводящая в ряде случаев к существенной интенсификации процесса плавления. Этот факт, ю-видимому, необходимо учитывать в одном из наиболее активно развивающихся направлений - разработке АФП, предназначенных для накопления солнечной ввергни.

Низкая плотность анергии падающего солнечного излучения я нерегулярннй характер его поступления затрудняют создание вфф к-тивных АФП в выдвигают на первый план вопросы, связанные о интенсификацией теплообмена пассивными или активными методами. Таких образом, возникает задача исследования влияния еотес венной конвекции аа теплообмен в АФП, создания методов расчета коррективного теплообмена и способов его интенсификация в этих устройствах

Цель ра'оти: Интенсификация тепло- и массообнена фазовых превращениях в аппаратах систем терморегулирования и выбор их оптимальных параметров.

Поставленная цель достигается решением следующих задач :

- изучением физических закономерностей тепломассообмена при фазовых превращениях в АФП;

- разработкой экспериментально проверенных гятеиатических моделей, методов а методик численно, о раочета на 9ВН гидродинамики я теплообмена в различных конструкциях АФП на основе теп-лпаккумулир'ующнх материалов (ТАМ), изменяющих агрегатное оосто-

янне в интервале рабочих температур л 5 - 5вз К- внявлениеи факторов, влияедв^ иа интенсивность теплообмена при фазовых превращениях; .

- екопераиентальнынн исследованиями по изучению воздействия естественной конвекции на теплообмен в АФП.

Правильность разработанных математической модели и методик расчета процессов гидродинамики н тепломассообмена подтверждена экспериментально. '

Научная новизна : Автором впервые :

- изучены физические закономерности процессов и разработает*, экспериментально проверенные математические модели, метода н не- . тс шки численного расчета гидродинамики а нестационарного сопряженного конвективного теплообмена при фазовых превращениях в аппаратах систем терморегулирования (АФП), учитывающие естественную конвекции в жалкой фаге ГАЙ и позволяющие провезти исследования по выбору оптимальных; параметров этих аппаратов;

- установлено влияние ча конвективный теплообмен в процессе зарядки я разрядки АФП естественной конвекции, "влияние переохлаждения и перегрева ТАИ на значение локального и среднеинтег-рального чисел Нуссзльта.

Практическая ценность : Созданы пакеты прикладных программ и инженерные методики расчета гидродинамики и тепломассообмена для проектирования, разработки и эксплуатации различных типов АФП, позволяющие проводить выбор оптимальных параметров этих устрой- . ств, а такае исследовать влияние на теплообмен геометрических размеров, переохлаждения н перегрева ТАМ, изменение тепло-физических свойств ж граничных условий.

Получении критериальные зависимости для расчета конвективного теплообмена в различных конструкциях АФП.

_ Апробация работы : Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсукдалнсь на :

1. Конференции 'Энергоустановки и двигательные установки летательных аппаратов'" г. Ленинград, 1990 ).

2. VIII Всесоюзной школ9-сем;.ларе "Современные проблемы газодинамики н тепломассообмена и пути повышения эффективности энергетических установок" ( Москва, 1991 3.

3. Научно-техническом семинаре кафедри Э6 (МП? ям. Н.Э.Баумана, 1992).

Разработанный пакет прикладных программ внедрен и попользуется в ЙБТАНе, г.Москва и в НПО "Солнце", г.Ашхабад.

Публикации С Основные соложения и результаты исследований отражены в трех статьях н тсогсах двух докладов.

Объем работн : Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и со; зргит страницы машинописного текста, включая таблиц, рисунков, схшс.к литературы из ПО

наименований.

Содержание работы.

Во введении обоогована актуальность работы, ее цель, научная новизна и практ чеокая ценность результатов исследований.

В первой главе дается аналитиче^ :лй обзор лиге. 1турннх источников, касаищи~ся принципов аккумулирования теплоты в про-цхюе плавлен».л материала. Анализируется влияние естественной хонвекпи и различая плотностей фаз плавящегося материала на характериегнкн теплообмена. Рассматривая^ я существующие методы расчета теплообмена при плавлении и затвердевании теплоакку-ыулирующего материала ( ТАИ ). Также дан обзор по вынужденному течению теплоносителя в канадаг сложной формы и выбраны методики расчет , для продольного1*' поперечного обтекания кпавок о ТАН, расположенных ь втих качглах.

Г. доведенный кригнч с кий обзор литературных источников по вопрос; разработки тепло аккумулирующих устройотв, иоподьзующих теплот:; плавления, позволяет сделать следующие выводы:

I ' Как отечественш з, так и зарубежные наука и техника проявляют устойчивый нн эрес к разработке АФП и в ряде случаев (гаяио?чхника, пассивные зьигеыы терморегулирования) овязнваат с их использованием определенный интерес.

2; Существует потребность в разработке методов математическое. моделирования Пнвективного теплообмена при фазовопе-реходн:гх процессах для разработки а исследования низкопотен-цнальних АФП (диапазон рабочих температур 313 К + 363 Ю и создания на их основе кгтодик численного расчета, позволяющих Енбрать оптимальные пародетры таких аппаратов.

3.; Практически ней ^ченчыыи остаются вопросы, связанные о влияюгш естественной конвекции, различием теплофизическях свой-4 • '•'•■.'

сто фаз, формой теплообкенлых поверхностей на теплообмен в АОП.

4. Совериешо не рассмотрен пел ..Л класс компактных АФП, пре^отавлятщих собой каналы, в конструкции которнх используится вотаиш из ТАИ, изменяющего свое агрегатное состояние з процесса эксплуатации.

Такпн образом, в результат^ выполнения комплекса систематических теоретических и экспериментальных исследований по выявлении физических закономерностей процессов должны быть разработаны экспериментально проверенные математические модели, метода и методики численного расчета конвективного теплообмена при -фа-, зовых превращениях для проектирования, разработки и эксплуатации н: ясопотенциальных аккумуляторов с' фазовыми переходами.

Во второй главе , проведено математическое моделирование. н разработка численных методов расчета теплообмена в АФП. Рассмотрен нестационарный сопряженный теплообмен с полностью развитым ламинарным движением теплоносителя при продольном а поперечном обтекании вставок с ~АН, представляющих собой бруски в виде параллепипелов. ТАН изменяет свое агрегатное' состояние: при зарядке теплового аккумулятора (ТА) происходит плавление ТАН, а при разрядке - затвердевание. '

. Натематичеекке модели строились для продольного и попереч- ' ного обтекания вставок о ТАН.

При построении математической модели принимаются оледующие допущения:

1) теплоемкость п теплопроводность ТАМ не зависят от температуры и являются постоянными и различными для каждой из .Фаз;

2) справедливо приближение Бусеинеека при плавлении ТАИ;

3) объем ТАИ • const ;

. 4) имеет место полностью развитое, установившееся ламинарное движение теплоносителя;

б) конвективное движение в расплаве ТАН также ламинарное;

6) теплофизичееки свойства воздуха не зависят от температуры;

7) ТАМ является изотропным:

8) энергия деформации ТАН кала по сравнению с внутренней энергией ТАН.

9) фазовый переход совершается при постоянной температуре.

... б

При продольном обтекалак, в силу геометрической симметрии и повторяемости конструкции, а также симметрии тепловых нагрузок нозшо выделить повторязедпйся элемент конструкции (abcdefa) и для него строить математическую модель и проводить все необходимые раочега (psc.D.

Так как двикени- воздуха считается установившимся, то в начале определяется полз скоростей воздуха то стационарного уравнения движения, а затем решается сопряженная нестационарная система дфференциалышх уравнений для Еозд^ха и ТАН, включающая в себя уравнения двлязния для расплавленного ТАН в проекциях на оса координат, уравнения неразрывности, уравнения энергии для ТАН а воздуха, а такт ■ уравнение для определения энтальпии.

Система уравнений дополняется нача.г-.выми, граничлЕ"ш условиями и условиями рниметрии.

Таким об! яои получена замкнутая система уравнений.

Лги решении задачи отефаыа наиболее трудным моментом является учет положения границы раздела фаз, которая может принимать сложную форму, особенно в условиях конвективною теплообмена. В данвой работе для идентификации границы раздела фаз впервые используется эиталышйный метод, ^анее применяемый к задачам теплопроводности Стефана, Пр*т таком подходе поверхнетгь раздела фаз иоклк .ается из рассмотрения и задача становится еквивалеитной одной J3 задач иелянейт 1 теплопроводности без фазового перехода.

I jxa дышйная форма уравнения сохранения энергии эквивалентна трем х' 1фференииальным у. лввениян сохранения энергии - в твердой и жидкой фазах, а также в\ границе их раздела.

. Зндача Стефана решается только в прямоугольных областях, поедет пвляющих собой ча- а вставок, заполненных TAU.

}тавнение энергии решается так, как . будто нет фазового пережс.да, во все время и::ет отзяехиванне значения энтальпии. При принятых допущениях пгчвление - затвердевание происходит при постол л ной температуре. Чоэтому, пока, не произойдет накопление энталпии до значения, равного значению энтальпии полного расплг влеякя ТАМ (Н,), температура расти яе б>дет, все приходящее тепло пойдет на иакоп/.лние энергии, il только пооде того, как »атал! :шя станет равно*; Н, . будет происходить дальнейший рост температуры ТАМ. • '!

рыыення поста зленной задачи использовался метод кон-

тролышя объемов, предложенный Паталкаром. В соответствии с этим подходом Без описаннне внше уравнекля могут бить формально преАставлеяя в одинаковой форме, внрахакцей обобщенную форму . закона сохранения энергий. Е^та обозначить ааввмшув пэременнуп через О, то обобщенное дифференциальное уравнение примет вид: д ■*

—(р-З) + ¿IV Ср• М-Ф) - <Цу Г кга! Ф ) + Э ; от

где Г - коэффициент диффузии ;

з - источниковыЯ член.

Метод контрольных объемов позволяет получить консервативные конечно-разностные уравнения, аппроксимирующие исходную систему дгфферекциальннх уравнений. • • •.

Интегрируя каждое дифференциальное уравнение из построенной система уравнений по соответствующему контрольной/ объему 'и временному интервалу и, записывая его в конечно-разностной форме', получаем уравнения, которые решаются методой продольно-поперечной прогонки. Для учета фазового перехода, на каждом временном слое приценяется метод энтальпии.

Данный алгоритм реализуется с помощью процедура гшрш.

При поперечной обтекании, поперечное сеченпэ канала периодически изменяется в направлении потока. Для таких каналов, при . постоянных свойствах теплоносителя, распределение скоростей потока автомоделью в периодически повторяющейся поперечном сечении я независимо от координат на существенном удалении от входа. Та коз независимое распределение скоростей является свойством полиостыз развитого течения. Полностью развитой термический режим характеризуется тем, что форма температурного распределения периодичес- ■ ких областей одинакова и численное значение температур областей, расположенных ни&е по потоку, иояет бить определено через соседние области, расположенные выше по течению, по известному маента-бировании. Таким же образом определяется в давление.

Для канала с периодически изменяющейся формой поперечного сечения выбирается повторяющийся элемент аЬс4ег (рис.2).

Предполагается, что давлевяг вычисляется - по следующей формуле

рСх,у) » - тх «■ рСх.у)

где г - постоянная составляющая полного градиента давления, а р(х,у) - периодическая величина.

¿теня* тезягюосвтехя ошкшваетея уравнениями керазршшозта к лыгхевся, зааисанинмЕ в проекшшх на сои ; :оордакат:

I U„--+ V

я т ?

a?,

Ôr

* H'

ôxa öy* .

' <ЗУ„

[ ¿Pv» tfV, * V

ftT + ôy-"0 •

Периодичность течения s симметрия приводят is оледухщин i-ратчпии услоэияы: * - - , ; '.

на тзе^даг граанч^их стшшах : ■ ,ч

; ' и„ "Уь. - о , , •

са rpasa^KX саклях сжмиетраи * <?

. Vfc*° - ■ ? ■■

sa . îcr inax ssíis н ®вср: HepgOiSHHQKES УСЛОВИЙ

то течеякв раичэтЕО? с jjavfB Cub a cd) гаатся ".' . • ."' ■. ■

, Uk(x,/) - UjstxL.yî , ; ! ' - ;•. ' VbOc.O »

Pkí», ) • P^Cx+xL.y) • --''.. / уразнекаа внарги.-' йдя воздуха © сэренезщи ? примат вад

ц.

4 '

<3т ат/ ; ÔT ôt + ü»'dx * , öy

а*т Ö*T AÏ" í/*

Г'ри температуре 'Ш' равной или вине тсипературц пламенея в ■ тепло;: ккумулирущем нате риале на,чхшаетсвконв&<адвя. тсшлообмаа npg которой описывается ур. ;вдеяилии Ногьа-Стокоа, уравнением неразрывно., ги, уравнением энергия s уравнением «ля ецтадьщ"«:

в . • . -,. ■ .: : V- , .

у

р

ей

дх

* и

V— "О* 4 Оу

бР ех

с-

е"»

дх'

оч ' дч

<57 1

- р-гг-р-« -

ар

а'у

ду"

Р'

<Эт

и

аи <эу < .

* __ О О

а* ду

зн

' Ох

СМ . V [ 6*1

е*т ау"

где Н-/ор аГ.

Сиотегга уравнений дополняется соответотвупципи начальпшхн р граничивши уеловшшп. В результата пи получаем замкнутую иатекатнческув постановку задачи о полностью развитии ланганартот течением теплоносителя в пан^ле пря поперечном обтекании вставок о ТАН.

Задача решается погодой контрольных сбьеиоз. Получают уравнения аналогов, шгоптзпнеэ уравнениям аналогов прп продольно« обтекашш. Вместе ; о тен ннеетея п существенное .отличив в построении цетода прогонки. Расчетная область, в силу пернодяч-

з. . . ; '.

воотя имеет на й, а К-1 узел« т.о. при реаентх системы уравнений разностных аналогов используется япкяический трездиагональный натрЛчпий неханпэн.

В третьей глава дапа. Охена экспериментальной установкп, приведены все роятш лгсперииентов, а также даяп результата ск-оперинэнтальшго численного исследования конвективного теплообмена в АФП.

При зарядке теплоноситель проходил через нагреватель, температура которого была, випе температура плавления ТАК, затеи поступал р иоду ль АФП, где отдавал свое тепло ТАН. При достижении

о

заданной температуры теплоаквумулирутащего материала, равной £5°С цикл зарядкв считался завершенным. Расход теплоносителя в процессе всего эксперимента поддерживался постоянным. При разрядке температура теплоносителя равнялась температуре окруааищей средн. Эксперимент завершался лри темпере..-уре ТАМ, равной температуре пкрухаадеИ среды. Заы.рн температур и расхода проводились через жаядна 10 ыен/т. Общее время эксперимента ^оставило от 4,6 до 6 часов..

Контейнеры с ТАН располагались в коридорном и шахматном порядках. Обдув контейнеров производился в продольном и поперечном направлениях. Режимы экспериментов приведены в таблице I.

Таблица I,

екопе-римен--' Поперечное обтекание Продольное обтекание

в шахматном порядке друг над другом шахм.

Г и ХП XV V У1 VII VIII XX

Параметры на входе

1, с 75 10 75 ЛИ 35 10 65 12 75 10 75 12 85 10 1 85 12 в5 10

С целью проверки ■ достог эрЕос-и математических моделей £|гдлоо мела а . разработав пг методик численного расчета, а также получения информации о температурных полях, форме а скорости верене^евия грашпш ра~дела фаз проведен сравнительный анализ екопер'ментальных и ЧЕияевнмх результатов по теплообмену при плавлгчнн ТАМ.

Обработка результа1 т ы^перттягл проводилааь £ естественных переменных, а та. же в критериальном виде. Баяв найдены зависимости от критерия Не, Т,й/Тпл и Ро-$и для

продольного ж поперечного обтекания. Формулы применимы для критериев яа в диапазона от 30 до 600. Усредненный квадрат нории невязки етнх зависимостей ве превышар* 0,25. '

Сравнение температурах зависимостей позволяет сделать вывод о том, ¡то разработанная чего дика расчета дает хорошие результаты ио теьнерааурннм поля».». А поскольку в конвективной задаче темпе]-::тур& зависит н с1? гидродинамической картавы, то можно утверждать, что поля ексростьй и распределение давления в потоке ¿чнтий-гся правильно. 10 ' ' '

Расхождение результатов по температуре в средней сечеаин контейнера с ТАН не превыгаает а обобщенные данные по теплоотдаче в ¿¡временных • Рг1'") = ги^Ро-ЭТе)) дают расхоу деиие значений численных и экспериментальны* танных при шахматном расположении контейнеров до 15я, а при продольном расположении -до 20«. Такое расхождение является результатом того, что расчетные данные приведены для контрольного сечения, расположенного в центральной части контейнера, тогда как экспериментальные данные получены по осреднениям характера"тик-аи всего ¡дбочего участка. Т.е. расчет дает изменение локального коэффициента теплоотдачи в контрольно!, сечении, а эксперимент - интегрального коэффициента-теплоотдача для всей сборки с ТАН, куда, входят начальный и конечный участки с неустановав пмиея характеристиками течения и теплообмена.

Сравнение осредненного коэффициента теплоотдача о локальным расчетным показывает удовлетворительное совпадение результатов численного и физического экспериментов.

Следует также отметить, что это расхождение является результатом допущений, присутствующих в математической ¿остановка задача, а также погрешностями эксперимента, в том Ч5Г то и по определении теплофизичеекнх свойств ТАН.

Расчеты проводилась на коньчно-разноетшзй сетке 40«40 с вре-меннни иаг .л Г секунда. При этом время расчета одного варианта на ИМ РС АТ 566 составляло 10 часов.

Таким образом, разработанные методики могуть быть использованы для расчета нестационарного сопряженного теплообмена при продольном и поперечной обтеканиях оборки с ТАМ, претерпевающего фазовый переход при зарядке и разрядке компактного АФП.

Теп яе менее подученные результаты п^^воляшт сделать вывод о том, что разработанная математическая модель, метод расчета и машинная методика позволяют получить физически р< 1льные результаты, находящиеся в удовлетворительном совпадении о физическими, даже для такого ел "иного явления, каким является нестационарный сопряженный теплообмен, осложненный фазовыми переходами.

Методика чволенного расчета реализована в виде пакета прикладных программ я может быть попользована для расчета теплооб'* иена в компактах АФП а выборе их оптимальны* геометрических па-■ > П

р^етров.

В четвертой главе ханц результата численного исследования гидродинамики и теплообмена при продольном к поперечной обтекании вставок о ТАМ. Достоверность расчетов ■подтверждается сопоставлением о экспериментальными данники.

Расчеты проведены для коридорного в шахматного расположения вставок о ТАН.

При исследовании гидродинамики в канале при продольном И поперечной обтекании вставок с ТАМ в рассмотрении; дкапозонах градиентов давления теплоносителя были получены оледушцие результаты: .

1. При поперечном к продольной обтеканиях значение числа Рейпольлоа возрастает о увеличением градиента давления;

2. Значение коэффициента сопротивления f-На ври продольной обтекании не зависят от градиента давления, а является функцией формы канала, т.е. зависит от формы вставок с ТАИ и их тасполо-жения, при поперечном же обтекании f-Ее монотонно возрастав о ростом градиента давления.

При поперечном обтекании вставок, как видно из поведения линий тока Срио.З) имеются зоны рециркуляции, расположенные перед и за вставками с ТАН, причем размер этих зон тем больше, чем больше число Рейнольдса, поскольку более медленное движение д-костн реализуется на учас-ках о большим радиусом поворота при огибании вставок.

Также било получено, что коридорное обтекание является менее благоприятным в гидродинамическом онколе и требует зна- хтельно больших градиентов давления для получения тех п средне-объемных скорое .ей теплоносителя, что и при шахматном расположении вставок о ТАН.

В результате теплового расчета построена зависимости:

- распределения локального числа Нуссельта по всем поверхностям теплообмена,

- изменение средне-интегрального по каждой поверхности теплообмена числа Нуссельта во времени,

- а также зависимости средне-интегрального ..а поверхности числа Нусоельта от. критерия Its, »

При продольном обтекания вставок о ТАМ локальное чиоло Нуссельта распределено по поверхностям теплообмена довольно равно-12

нерпо. При зтон наксякадьяое значение достигается па 'концах поверхностей теплообмена, а мшшырпьное - в центре поверхности. Это моя.по объясп: ~ъ тем, что плохо обтекаемые угли бруска находятся в наиболее интенсивном взаимодействии с потопим теплоносителя.

При поперечном обтекания наблидается очень большой градиент изменения локального числа «и по поверхности теплообмена, и только появление свободной коявекпии в ТАМ выравнивает ото распре* деление и делает его похожим на распределение локальаогс числа Ни при продольном обтекании.

Как показывают расчеты, значения средне-ивтегралььнх чисел Ни при продольном обтекании по всем поверхностям теплообмена отличаьтся друг от друга мало. Другая же картина наблюдается при поперечном обтекании. Здесь выделяются три в-яболее хара герные поверхности теплообмена:

1-ая поверхность - поверхность до потока (или набегающего потока), Лв;

. 2-ая поверхность - поверхность за потоком, ъе;

3-ая поверхность - поверхность вдоль потока, 1Ь.

Еоли построят»- зависимости поведения средне-интегрального по гтим поверхностям числа Ни, то наибольшее значение чьела Нус-сельта оказывается на поверхности вдоль потока а минимальное - в лобовой части. Это распределение определяется виден обтекания данных поверхностей. Поверхность 1Ь омывается развитым ламинарным потоком теплоносителя я полнокровно участвует в процессе теплообмена. Поверхность Ъс - за бруском, больпе соприкасается "о рециркуляционным вихрем, и по мере их контакта происходит тепле^мен. А поверхность А является лобовой для потока, частично она соприкасается с концом рециркуляционного вихря, а частично с набегающий и соохальзнващан штоком, поэтому число Нуссельта, здесь имеет минимальное значение. Однако, во нере нагрева ТАН о появления в нем естественной конвекпик происходит оудеотвенное перераспределение я изменение оредне-интегральногц чвола Ии во времени. Значение числа ж уменьшается за счет роста термического' сопротивления увеличивающейся области расплава (рао.4), Неучет свободной коявекаиа при раочете теплообмена вносит значительную скшбху ярн раочете реального АФП. ,

, Результата расчетов также подтвердила работа со яселвдовапи» адяявая числа Не на ь^чениэ числа на. Однако, в предадупупс .'.■''. ' 13

работах ^атанкар, Келк&р, Ли, Сперроу) рассматривались стационарные тепловые процессы к вставки в каналах не содержали плавящегося вещества.

При нестапаонарннх процессах в каналах со вставками из плавящегося материала, при поперечном их обтекании как видно из построенных кривых, большим числам Не также соответсвумт большие числа Ни и т.к. при больших числах Рейнольдса проп ходит более интенсивный теплообыеь, то и конвекция при одних и тех ке тепловых режимах начинается раньше, чей при меньших числах Не, отсюда и более раннее пах те числа Вуссель-.а во времени при больниц числах Еэ (рис.5).

В процессе расчета теплообмена в .ФП проводились наблюдения за естественной конвекцией в ТАМ и выводились файлы с линиями: тока при конвективном движении. На картах линий тока отчетлива видно зарождение конвекции, начинающей ..-я несколькими мелкими вихрями, которые по мере прогрева ТАН растут и сливаются в более крупные.

Численный экспернкент был проведен и при более, низкой температуре теплоносителя, равной 75°С. Локально® распределение числа Ни, а также поведение средне-интегрального числа Ки имеет такой же харак^р изменения, как и при температуре теплоносителя, равной 85°С, но более растянуты во времена. .

В заключении сфорну" ированн основные научные результаты, полученные в данном исследовании:

1. Разработаны натематичесхше модели теплообмена в аккумуляторах теплоты ча фазовых переходах при продольном ¡. поперечном обтеканиях теплоносителей вставок с теп1^аккумулирующим вещеонюм при граничных условиях 1,и и ш рода.

2. Проведена адаптация и тестирование метода энтальпий для численного расчета конвективного теплообмена в нелинейных задачах. .

3. Создан пакет прикладных програиы-нетодкк численного расчета конвективного теплообмена при фазовоцереходннх процессах в АФП при продольном и поперечной обтекании пучка вставок о теплоаккуиулнрующим материалом а проведена их окс..^ргиептальная проверка.

4. Экспериментально и численно установлено, что при про-

дольной обтекании вставок о 1Ай ламинарным уотановявлишия нитоном теплоносителя процесс зарядки и пазрядки АФП идет в среднем на ?о ! я интенсивнее чем при поперечном обтекании.

5. Проведена оптимизация формы встэчок с TAU при продольном обтекании теплоносителем. Вставки располагались в коридорном и в шахматном порядках. В гидродинамическом смысле более удобообтекаемнми являются наиболее высокие и узкие вставки. В тепловом отношении - решающую роль играют заданные тепловые резным и тепловые мощности.

6. В ходе экспериментального исследования АФП были получены критериальные затшсзшости si-Pr - riFo-steJ для продольного и поперечного обтекания вставок с TAU.

7- В процессе численных »селедоваяяа гидродинамики в АФП были построены зависимости Re - îlâP/âZ) и {■ Rs » rtap/dz) при продольном обтекании и Ra » (ар/ах) и f-Еэ - (дР/ах) при поперечном Vтекаяии. Получено, что для достижения одних и тех se средне-обьеыных скоростей при продольном обтекании нужно значительно меньше мощности на прокачку теплоносителя, А более высокие окорооти при поперечном обтекании вставок достигаются ценой очень больного роста перепада давления и величины r-Re.

8. В ходе численного исследования процессов теплообмена в АФП для продольного и поперечного обтекания вставок были получены зависимости

- распределения локального числа Вусседьта по поверхностям теплообмена;

- изменение срелшеинтегрального по поверхности теплообмена числа Ни во времегя;

- влияние Ч5пла Ве на значение средненнтегрального числа Ни

9. Выявлено влияние температуры теплоносителя на значения локального и интегрального чисел Ни. Более низкие температуры теплоносителя приводят к более растянутым во временя процессам теплообмена.

10. Исследовало зарождение а развитие естественной конвенции в теп лоаккуку лиру ющем материале.

Таким обра зон, в результате проведения комплексных экспериментальных, и численных исследований изучены физические согбенности процессов плавления и затвердевания при зарядке в pas-рядке ва моделях аккумуляторов фаэсгнх переходов, а также влияние

.18

на тепле,-биен естественной конвекции с целью использования етиж факторов для интенснфшсациЕ теплообмена в различный типах таких уетройотв.

Полученные заетноиеркостц пологенн в осное/ проектирования, изготовление и натурных испытаний полнонаептабанх образцов АФй, предназначенных для рабе ы в состава снетены солнечного отопления индивидуальных еилнх дата Среднеазиатского региона

На - основе создана../: матеиатпчеокпх моделей разработаны к экспериментально проверены методики чеслэнного расчета гидродинамики и сопряжен; ;>го нестационарного теплообмена при фазовонереходнях процессах в компактных АФП со вставками с /АН, изменяющего агрегатное состояние, : выбраны их ыгпшалькпа параметры.

Публикации по тана диссертации.

i- Зорина И-Г-, Роесихин Н-А-, Чукаев А-Г- Реиенвз трехмерной нестационарной задачи о фазовым переходок для теплового аккумулятора ff Тезисы докладов конференции "Энергоустановки и двигательные установки летательных аппаратов", Ленинград, ВИКИ ии- А-Ф-Ножайского, 1990- -С-54-63-

г. Зорвва И-Г-. Роосихпн Н-А-, Чукаев А-Г- Решение двумерной нестационарно ч задачи с фазовым переходом для теплог го аккумулятора >■' Современные проблемы газодинамики и теплонасообиена и пути повышения эффективности энергетических установок» Теэнеи докладов '-'ш Всесоюзной икса .-семинара, -Нссква, 13-24 мая, ¿991. ЧД--С-64-66.

г. Чукаев А-Г-, Арнагулиева Б-А-, Зорина И-Г. Математическое модел' -»ваниз нестационарного сопряженного теплообмена при фазовотарехо; Чых процессах в компактных аккумуляторах ¿плоты Известия АН ТССР- -1992- « I--С-93-96.

«»• Чукаев . А-Г-, Арнагулиева Б-А-, Зорина И-Г-Экспериментальное исследование теплообмена в компактном аккумуляторе фазового перехода на основе гидрооксида натрия Известия АН ТССР.-19Э2. JS' 1.43-96-100.

б. Байрамов Р.Б., Чукаев А.Г., Арнагулиева S.A., Зорила И.Г.. Исследование свойств гидрооксида. натрия как теплоаккуму- , лцруьщэго материала для аккумуляторов фазовых переходов // Известия Afl ТССР. -1992. П I. -С. 5-14. :

16

□4Й-.П

*_.

□ ф О

Рис. I Расчетная схема расположения вставок из ТАМ при продо; ,ноу , обтекании

Ц057

срх

0Р5П

цт аргг

-ЦЯ2 ОВОв

тгхЛ

д с

е

^ -ЕЗ-ЕЬ-□ □

,Рие. 2 Расчетная схема расположения вставок из ТАМ при поперечном обтекании

я (о.

7 —

• о

Часа

вот?

Рис. 3 Линии тока при шахматном расположении вставок из ТАК ДРДл = 0,4о Н/«3; £е = 861.15

Рис. 4 Распределение средне интегрального числа А/и при Т^.А «■ 85 °С