В работе представлены результаты численного исследования теплообмена в канале с конфузорной секцией с воздействиями пульсаций. Исследовано влияние пульсаций на основные параметры потока при разных числах Рейнольдса.
Вычислен коэффициент теплоотдачи, показано изменение критериев Стантона и Струхаля по длине канала с конфузором.
Ключевые слова: теплообмен, турбулентный поток, критерий Стантона, критерий Струхаля, пульсации.
Введение.
Задача исследование теплообмена и повышения энергоэффективности теплообменников представляет интерес для многих ученых. Направление исследования теплообмена с воздействиями является одним из самых актуальных на сегодняшний день. Данное направление применяется во многих областях физики и термодинамике.
Постановка задачи.
Рассматривается турбулентное течение воздуха в плоском рабочем канале с конфузорным участком и установленным пульсатором в виде периодически перекрывающейся заслонки.
Рис. 1 Экспериментальная установка с конфузором: 1. Вход; 2. Теплообменная стенка; 3. Конфузорный участок; 4. Пульсатор; 5. Термометр) [1]
С помощью интернет-ресурсов Onshape [2] и Simscale [3] производилось создание геометрии расчетной области (Рис.2) и моделирование на ней процесса с заданными параметрами турбулентного течения.
Скорость потока на входе задавалась по формуле:
(1)
f — частота пульсаций (Гц), τ — время (секунд), ū — средняя скорость потока.
Рабочее тело — воздух, температура на входе — t = 20 °С;
Избыточное давление на выходе — р = 0;
Теплоемкость — Q = 400 Вт/м2.
Частота пульсаций задавалась четырьмя частотами 50 Гц; 100 Гц; 150 Гц; 200 Гц.
Для стабилизации решения был активирован алгоритм учета градиентов и дивергенции при решении уравнения сохранения импульса. При решении был задан фиксированный временной шаг 1 сек.
Рис. 2. Геометрия расчетной области
Результаты.
Обработаны результаты моделирования турбулентного течения с числами Рейнольдса: 3000, 6000, 9000, 18000 с воздействиями пульсаций. Приведены результаты расчетов параметров течения в графическом виде.
Для каждого процесса по формуле: 𝛼=𝑄/ΔT вычислен коэффициент теплоотдачи, а также вычислены критерии Стантона и Струхаля St=α/(V*p*Cp), Sh =fL/U.
Для числа Рейнольдса =3000:
Рис. 3. Коэффициент теплоотдачи по длине конфузорного участка канала для Re=3000 (x-секция конфузора по оси X)
Рис. 4 Изменение критериев Стантона и Струхаля по длине конфузора. Значения для Re=3000
Для числа Рейнольдса =6000:
Рис. 5. Коэффициент теплоотдачи по длине конфузорного участка канала для Re=6000.(x-секция конфузора по оси X)
Рис. 6. Изменение критериев Стантона и Струхаля по длине конфузора. Значения для Re=6000
Для числа Рейнольдса =9000:
Рис. 7. Коэффициент теплоотдачи по длине конфузорного участка канала для Re=9000.(x-секция конфузора по оси X)
Рис. 8. Изменение критериев Стантона и Струхаля по длине конфузора. Значения для Re=9000
Для числа Рейнольдса =18000:
Рис. 9. Коэффициент теплоотдачи по длине конфузорного участка канала для Re=18000 (x-секция конфузора по оси X)
Рис. 10. Изменение критериев Стантона и Струхаля по длине конфузора. Значения для Re=18000
Для каждого процесса было посчитано среднее число Нуссельта, которое в дальнейшем потребуется для расчета теплообменника, и построен график зависимости Нуссельта от Рейнольдса:
Numax=0,095Re0,72Pr0,43(1+BK) (2)
K=0,61Sh*exp(-Sh3/700) (3)
|
Re |
Nu |
|
|
1 |
3000 |
29,0382 |
|
2 |
6000 |
50,6 |
|
3 |
9000 |
70,84 |
|
4 |
18000 |
120,652 |
Рис. 11. Зависимость Рейнольдса от Нуссельта
Исходя из полученных данных видно, что при наличии пульсаций теплоотдача в канале увеличивается, тем самым повышается эффективность теплообмена.
Литература:
- И. А. Давлетшин, О. А. Душина, Н. И. Михеев, А. А. Паерелий Теплоотдача пульсирующих течений в каналах с градиентом давления// Казанский научный центр РАН, Казань, Россия 2017
- Onshape. Home page. URL: https://www.onshape.com/
- SimScale. Home page. URL: https://www.simscale.com
