Вихревая интенсификация теплообмена и ее численное моделирование в элементах теплообменников

• Автор: Кудрявцев, Николай Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 298 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Ретроспективный анализ численного моделирования теплообмена при ламинарном и турбулентном обтекании несжимаемой жидкостью тел с отрывом

потока (background)

0.1. Проблемы теплообмена и аэродинамики пакетов поперечных труб

0.2. Интенсификация тепломассообмена при самоорганизации вихревых структур

при обтекании вогнутостей на плоской стенке

0.3. Анализ физических механизмов вихревой интенсификации теплообмена около удаленного цилиндра в пакете поперечных труб за счет нанесения траншейных и

луночных покрытий, а также расположения ребер

0.4. Краткий обзор численных исследований автора конца 70-х - начала 90-х гг

0.5. Пакеты прикладных программ

Глава 1. Математические модели для описания турбулентных течений несжимаемой вязкой жидкости и конвективного теплообмена. Многоблочные вычислитель- 14 ные технологии (МВТ)
1.1. Запись исходных уравнений
1.2. Модели турбулентности для инженерных расчетов отрывных течений (обзор и краткий анализ)
1.3. Постановка сопряженных задач динамики твердого тела и гидродинамики окружающей среды
1.4. Граничные и начальные условия
1.5. Особенности разработанного неявного факторизованного алгоритма
1.6. Расчетные и связанные ячейки
1.7. Процедуры коррекции градиентов давления р и среднемассовой температуры

Глава 2. Методические материалы по тестированию развитого многоблочного расчетного алгоритма и математических моделей
2.1. Верификация обобщенного расчетного алгоритма на задаче нестационарного обтекания профиля
2.2. Моделирование ламинарного циркуляционного течения в квадратной каверне с подвижной границей при высоких числах Рейнольдса
2.3. Численный анализ струйно-вихревой картины течения в прямоугольной траншее с подвижной крышкой
2.4. Верификация МВТ на основе сравнения результатов расчета при Re=40 начальной фазы нестационарного ламинарного обтекания кругового цилиндра с данными из атласа Ван-Дайка
2.5. Сравнительный анализ МВТ в VP2/3 и использования адаптивных сеток в FLUENT на примере нестационарного ламинарного обтекания цилиндра на автоколебательном режиме
2.6. Верификация развитого многоблочного алгоритма при моделировании ламинарного режима движения несжимаемой вязкой жидкости и теплообмена в коридорном пакете круглых труб
^ 2.7. Выбор приемлемой для инженерных расчетов модели турбулентности
2.7.1. Комплексный анализ алгоритмов, сеточных структур и моделей турбулентности при расчете циркуляционного течения в каверне с помощью пакетов VP2/3 и FLUENT
2.7.2. Сравнение различных пакетов (VP2/3 и FLUENT) и нашедших наибольшее применение в инженерной практике полуэмпирических дифференциальных моделей турбулентности (MSST и SA) на задаче нестационарного двумерного обтекания
кругового цилиндра
fr 2.7.3. Сопоставление расчетных и экспериментальных осредненных коэффициентов
относительной теплоотдачи по контуру кругового цилиндра
2.7.4. Тестовые исследования турбулентного течения и теплообмена в коридорном пакете труб, полученные на основе моделей MSST и SA
2.7.5. Сравнение результатов расчетов отрывного течения и теплообмена у стенки с траншеей с использованием моделей SA и MSST и данных экспериментов, проведенных в МВТУ им.Н.Э.Баумана
2.7.6. Сопоставление результатов расчета обтекания мелкой лунки и данных экспериментов Г.И. Кикнадзе и др. для мелкой лунки
2.8. Обоснование приемлемости ПГУ для расчета теплообмена удаленного цилиндра в трубном пакете
Глава 3. Обобщение материалов по численному моделированию теплообмена при поперечном обтекании одиночной трубы (кругового цилиндра) и пакета труб
3.1. Анализ конвективного теплообмена около кругового цилиндра
3.1.1. Ламинарный нестационарный теплообмен с температурной дорожкой за круговым цилиндром
3.1.2. Вихревая динамика и конвективный теплообмен при турбулентном нестационарном обтекании нагретого цилиндра в неограниченном потоке и в плоскопараллельном канале
# 3.2. Численный анализ теплообмена в пакете круговых цилиндров
3.2.1.Ламинарный режим обтекания
3.2.2. Турбулентынй режим обтекания
Глава 4. Численное моделирование вихревого теплообмена при обтекании двумерных и пространственных вогнутостей на плоских стенках. Анализ механизма вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб с нанесенными траншеями, лунками и с ребрами
4.1. Влияние на вихревую интенсификацию теплообмена глубины сферической лунки на стенке узкого канала
4.2. Анализ механизма и влияния относительного глубины траншеи на сопротивление и интенсивность теплообмена
4.3. Сравнение сферической лунки и траншеи как элементов вихревой интенсификации теплообмена
4.4. Конструирование траншейных (асимметричных) лунок
4.5. Вихревой теплообмен в коридорном пакете труб с упорядоченными траншеями
в ламинарном и турбулентном режиме течения
4.6. Численное моделирование теплообмена в коридорных пакетах оребренных
труб
4.7. Расчет пакетов труб с нанесенными лунками
Ф Глава 5. Использование МВТ для решения практических задач управления гидродинамическими и теплообменными характеристиками за счет вихревых и струйных
генераторов
5.1. Размешивание смеси жидкостей в цилиндрическом стакане за счет вращения лопасти с постоянной угловой скоростью
5.2. Аэродинамическое проектирование анализаторов концентрации паров ртути
5.3. Обоснование аэродинамического проектирования тел, снабженных системой управления обтеканием на основе встроенных вихревых ячеек
5.3.1. Моделирование нестационарного турбулентного обтекания толстого профиля
^ с вихревыми ячейками при включении отсоса с поверхности центральных тел
5.3.2. Оценка влияния угла атаки на аэродинамические характеристики толстого профиля с ВЯ, а также его сравнение с тонкими профилями
5.3.3. Обоснование нетрадиционной схемы ветродвигателя с вращающимися лопастями с поперечным сечением в форме толстого профиля с вихревыми ячейками
5.4. Анализ способа управления гидродинамическими и теплофизическими характеристиками в следе за телом за счет струйных генераторов на примере моделирования обтекания цилиндра с перфорированным кожухом
5.5. Снижение лобового сопротивления рельефа с траншеями и лунками
5.6. Моделирование колебаний физического маятника в квадратной каверне, заполненной вязкой жидкостью
Заключение
Список использованных литературных источников

граней ячейки 2 дает искомый многогранник. Объем его удобно вычислять, пользуясь выражением

V = ' Jn • rds= yAii -г;
с Л I

Рис. 1.13. Расчетный шаблон.
где ASj - вектор площади i - той грани, Г( - радиус - вектор ее центра, m - число граней.
Интересно рассмотреть вопрос, связанный с организацией процесса вычислений для набора пересекающихся сеток. В целом последовательность шагов сохраняется такой же, как при расчете на моноблочной сетке. При этом для решения каждого из уравнений выполняется следующая последовательность действий:
1.Для всех областей определяются значения зависимых переменных в связанных ячейках, вычисляются коэффициенты и источниковые члены уравнения.
2.Последовательно для каждой сетки вычисляются значения приращений в связанных ячейках и делается одна итерация. Процедура повторяется до достижения некоторого заданного критерия сходимости во всех областях.
3.Вычисляются новые значения переменных и осуществляется переход к следующему уравнению.
В [38,71] отмечается, что изложенная процедура решения уравнений легко допускает возможность распараллеливания по областям, если значения приращений в связанных ячейках не вычислять, а принимать равными нулю. Это вполне допустимо, хотя и несколько снижает скорость сходимости.
Многочисленными тестовыми расчетами [23-25,27-29,31,32,75-98] показано, что вполне приемлемым оказывается более простой подход к определению характеристик в связанных ячейках, основанный на неконсервативной, линейной интерполяции. В пространственной трактовке он излагается в [38].
Объем ячейки выбранной структурированной сетки разбивается на б пирамид, имеющих основанием одну из граней, а вершиной - центр ячейки (рис. 1.13). Каждая из пирамид, в
свою очередь, делится на 8 тетра-0 till И 111 эдров. В процессе межсеточной
интерполяции определяется принадлежность выбранной точки, в которой необходимо определить совокупность параметров, одному из тетраэдров, образующих ячейку и для него строится линейная интерполяция по известным значени-Рис.1.14. Связанные ячейки подвижных (а) и непод- ям в вершинах. Так, для тетраэдра с
вижных (б) многоблочных расчетных сеток при рас- р р р р
с- „ вершинами 1 it1 2’ 3’ 4 значечете колебании цилиндрического маятника. к