Численное исследование теплообмена в канале с конфузором и наличием пульсаций | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 27 июля, печатный экземпляр отправим 31 июля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Физика

Опубликовано в Молодой учёный №22 (260) май 2019 г.

Дата публикации: 28.05.2019

Статья просмотрена: 14 раз

Библиографическое описание:

Згонников Е. О. Численное исследование теплообмена в канале с конфузором и наличием пульсаций // Молодой ученый. — 2019. — №22. — С. 39-44. — URL https://moluch.ru/archive/260/59717/ (дата обращения: 18.07.2019).



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:

https://pp.userapi.com/c848416/v848416759/7ddc8/ls2lhzwPEvE.jpg (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:

  1. 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
  2. Onshape. Home page. URL: https://www.onshape.com/
  3. SimScale. Home page. URL: https://www.simscale.com


Задать вопрос