Методы математического моделирования гидродинамики и теплообмена закрученных потоков в каналах с завихрителями

• Автор: Митрофанова, Ольга Викторовна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 321 с. : ил.

АННОТАЦИЯ
Диссертационная работа посвящена разработке математических моделей и методов расчета гидродинамики и теплообмена сложных закрученных течений вязкой несжимаемой жидкости в каналах с закручивающими устройствами.
Основой физико-математического моделирования является выявление особенностей и общих закономерностей турбулентных закрученных течений со сложной вихревой структурой, формирующейся за счет наличия областей отрыва потока, влияния кривизны обтекаемых поверхностей, режимов течения и других факторов, а также комплексное решение проблем пространственного осреднения уравнений динамики сплошной среды для каналов сложной геометрии, описания граничных условий, эффективных коэффициентов переноса и формулировки замыкающих соотношений, полученных в результате экспериментального подтверждения принимаемых физических моделей и гипотез.
На основе разработанной теории, создания комплекса расчетных программ и сравнения результатов физических и вычислительных экспериментов в диссертационной работе получили обоснование два расчетных метода: для кольцевых каналов и труб с завихрителями произвольной геометрии. Универсальность этих методов относительно изменения формы и области расположения завихрителей в каналах позволяет провести сравнительный анализ влияния различных устройств, генерирующих закрутку потока, на поля скоростей, давлений и температур, гидравлическое сопротивление и теплоотдачу в каналах.
Результаты работы предназначены для создания высокоэффективных энергетических устройств, в которых максимальный эффект интенсификации теплообмена достигается за счет оптимизации геометрии завихрителей.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

Глава 1. Современное состояние исследований в области

изучения гидродинамики и теплообмена закрученных потоков в

каналах с завихрителями

1.1. Введение
1.2. Виды завихрителей и их применение для интенсификации
теплообмена
1.3. Физические особенности турбулентных закрученных потоков
в каналах с завихрителями
1.3.1. Вопросы терминологии
Определение понятия «закрученный поток»
Оценка интенсивности закрутки потока
1.3.2. Основные закономерности закрученных течений. Связь интенсивности закрутки потока с формированием поля
скорости закрученного течения в канале ^
1.3.3. Вторичные течения
1.3.4. Отрыв и присоединение потока
1.4. Факторы, влияющие на вихревую структуру потока, гидравлическое сопротивление и теплообмен в каналах с завихрителями
1.4.1. Форма завихрителей
1.4.2. Загромождение канала
1.4.3. Степень турбулентности потока
1.4.4. Шаг расположения закручивающих элементов и угол
скоса потока
1.4.5. Продольная кривизна
1.5. Современное состояние проблемы расчетного моделирования
сложных турбулентных течений
1.5.1. Использование моделей турбулентности для расчета криволинейных и закрученных течений
1.5.2. Различные подходы к построению расчетных методов
сложных турбулентных течений
1.6. Опыт разработки инженерных методов расчета для каналов
сложной геометрии с закруткой потока
1.7. Выводы

Глава 2. Теоретические основы расчетного моделирования гидродинамики и теплообмена в каналах с закручивающими устройствами
2.1. Принципы расчетного моделирования
2.2. Постановка задачи. Вывод расчетных уравнений
2.2.1. Система исходных уравнений
2.2.2. Процедура пространственного осреднения
2.2.3. Уравнения для осредненных компонент скорости и
давления '
2.2.4. Осреднение уравнения энергии-
2.3. Формулировка замыкающих феноменологических соотношений
2.3.1. Описание силового воздействия завихрителей на поток
2.3.2. Описание компонент тензора сопротивления
2.3.3. Моделирование эффективного переноса в каналах с завихрителями
Глава 3. Метод расчета гидродинамики и теплообмена для
кольцевых каналов со спиральными завихрителями
3.1. Постановка задачи
3.2. Гидродинамический расчет кольцевых каналов с непрерывными по длине спиральными завихрителями
3.2.1. Оценка эффективной вязкости
3.2.2. Вычислительный алгоритм метода гидродинамического
расчета
3.3. Расчет теплообмена в кольцевых каналах с завихрителями
3.3.1. Уравнение теплового баланса
3.3.2. Интегральные соотношения в форме интегралов Лайона
для расчета теплоотдачи в кольцевых каналах с завихрителями при произвольном соотношении тепловых нагрузок
3.4. Гидротепловой расчет винтообразных каналов 1 б
3.5. Верификация расчетного метода. Сравнение результатов
расчетов и экспериментов
Выводы к главе 3
- при У > 0,5 значение r„hJX определяется уравнением:
(1.7)
в интервале 0,23< У < 0,5 величина гпиа сохраняется приблизительно на постоянном уровне, равном 0,35ч-0,37, при 0,17< У < 0,23 происходит вырождение максимума Иф и при У < 0,17 изменение тангенциальной скорости
практически соответствует закону квазитвердого вращения с максимумом вблизи поверхности канала;
- для максимального значения вращательной скорости при У > 0,23 получено:
причем из сравнения зависимостей (1.3) и (1.5) можно заключить, что в рассмотрегашм в работе [3] диапазоне обобщения данных 0,23 < У < 1,3 отношение Нф max / Uz приблизительно в два раза превосходит значение тангенса угла
закрутки потока на стенке tgQw3',
- для определения максимального значения циркуляции вращательной скорости предлагается использовать уравнение:
а для радиусов нулевого значения избыточного давления гр0 и зоны обратных токов гобр при течении воздуха в трубах соответственно уравнения (1.10) и (1.11):
С условием возникновения области рециркуляционного течения часто связывают деление закрученных потоков на «слабозакрученные» (без зоны рециркуляции) и «сильнозакрученные» (с существованием рециркуляционной зоны) [6,9,72]. Однако, кроме замеченного в работе [67] факта неприменимости такой классификации к области течения в непосредственной близости от завихрителя, следует отметить ее относительность и на участке основного течения закрученного потока, т.к. данные различных авторов по определению
(1.8)
Гю= 1,02 игпах R У0,
12 max
(1.9)
гр0 = 0,3 6Л (У-0,2)0’89, тобр = 0,ЗД(У-0,24)°’72.
(1-Ю)
(1.Н)
■’ К аналогичному выводу на основе собственных экспериментов пришли и авторы работы [63].