Гидродинамика и теплообмен в вихревой трубке Ранка-Хилша : Вычислительный эксперимент

• Автор: Аликина, Ольга Николаевна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 122 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ Введение и обзор литературы

Глава I. Физические и математические основы вихревого 20 эффекта
1.1. Вихревое движение жидкости
1.2. Физические основы вихревого эффекта
1.3. Теоретические основы вихревого эффекта 31 Глава II. Исследование течения несжимаемой жидкости в
вихревой трубке
2.1. Постанова задачи 3
^ 2.2. Описание численной процедуры
2.3. Результаты вычислительных экспериментов 51 Глава III. Исследование течения вязкого идеального теп-
лопроводного газа в вихревой трубке
3.1. Постановка задачи для вязкого теплопроводного газа
3.2. Численная схема для расчета течения вязкого идеаль- 63 ного теплопроводного газа
Глава IV. Вычислительные эксперименты для вязкого 71 1? идеального теплопроводного газа в вихревой
трубке
4.1. Влияние геометрии и параметров вихревой трубы на 72 характеристики
4.2. Влияние безразмерных критериев и параметров задачи 96 на характеристики вихревой трубы
Заключение
Приложение
Список литературы

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВТ - вихревая трубка,
Ьь Ьг, Ьз, 1^4, ЬД|, Яг, Я - геометрические параметры трубки,
1 - величина соплового входа в безразмерных единицах,
О - диаметр трубы (Б=2Я),
с1с - диаметр диафрагменного отверстия (с!с=2Я|),
ЬЕр - ширина соплового входа,
кс - безразмерный коэффициент для площади соплового входа,
Ят - радиус вихревой трубки,
Яе - число Рейнольдса,
М - число Маха,
Рг - число Прандтля,
У=(УГ, Уф, Vг), - вектор скорости,
Уг - радиальная компонента скорости,
У„ - азимутальная компонента,
У2 - осевая скорость,
Т - температура, ю - вихрь скорости,
- функция тока,
у - угловая скорость, г - радиус вихря,
Ф - диссипативная функция,
ДР - перепад давления,
V - динамическая вязкость, а - угол наклона входного потока,
(3 - угол поворота входного потока, р - плотность среды, ц - доля холодного потока, ау - скоростной коэффициент,
А, - коэффициент теплопроводности, р - давление,
Су — коэффициент теплоемкости,
Я - газовая постоянная, п - показатель политропы, тр - температурный КПД, г)ч - холодильный КПД, г|е ~ эксергетический КПД,
б - обозначение одной искомых величин (компонента скорости или температура),

Ff - функция, представляющая часть уравнений при приведении к общему виду,
Of - вязкие члены уравнений в постановке задачи для вязкого теплопроводного газа,
Р, S, N, Е, W - элементы географической символики, использующиеся для обозначения узлов сетки,
Т - температура потока на входе в вихревую трубку,
Т гор; Т х0„ - полные температуры на дроссельном и диафрагменном выходах соответственно,
АТгор, ДТхол, ДТ — эффект охлаждения холодного потока, эффект нагрева горячего потока, эффект температурного разделения,
Ягор; Чхол • удельная холодопроизводительность на холодном и горячем концах трубки,
к - отношение полного давления на входе в ВТ к давлению среды, в которую происходит истечение,
ті - минимальное значение перепада давлений, при котором начинается критическое истечение из сопла, р - полное давление на входе в ВТ, рат - атмосферное давление,
ДТ s - абсолютный эффект понижения температуры при изэнтропном расширении газа,
к - реальный перепад давления на входе и выходах вихревой трубки,
G| - расход через сопло,
G2 - расход через вихревую трубку.

давления в приосевой области. Возрастание давления в приосевой области по мере удаления от соплового ввода к дросселю ВТ приводит к появлению осевого градиента давления в этой области, направленного от дросселя к сопловому вводу, то есть к отверстию диафрагмы. Высокая степень анизотропной турбулентности обеспечивает энергомассоперенос, в процессе которого турбулентные моли, перемещаясь с одной радиальной позиции на другую, совершают микрохолодильные циклы.
По мере продвижения вдоль оси приосевые слои раскручиваются потенциальным вихрем так, что в сопловом сечении приосевой вихрь вращается по закону, близкому к твердотельному вращению, а в целом по сечению устанавливается составной вихрь Рэнкина.
Таким образом, в камере происходит перераспределение полной энтальпии в основном за счет трех потоков энергии:
1. потока кинетической энергии, направленной от периферии к оси;
2. потока тепла, переносимого в процессе интенсивного турбулентного теплообмена, направление которого определяется характером распределения статической температуры по сечению трубы;
3. переноса энергии в форме тепла, совершаемого в результате реализации микрохолодильных циклов турбулентными молями при их перемещении в радиальном направлении в поле с высоким радиальным градиентом давления.
Гипотеза взаимодействия вихрей не исключает наличия в камере источников и стоков энергии, отличающихся от перечисленных, но их вклад в процесс энергоразделения представляется незначительным. Состояние равновесия наступает при достижении адиабатного распределения параметров в сопловом сечении вихревой трубы [52].