Численное исследование тепловых и динамических процессов в элементах устройств энергоразделения газов

• Автор: Макарова, Мария Сергеевна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 114 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Вихревые и волновые газодинамические методы
1.2. Метод газодинамической стратификации А.И. Леонтьева
1.3. Коэффициент восстановления температуры в сверхзвуковом потоке
1.4. Влияние проницаемости стенки на характеристики течения и теплообмена
1.5. Выводы
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА
2.1. Система уравнений и модель турбулентности
2.2. Обоснование выбора модели турбулентности
2.3.Тестовые расчеты
2.3.1. Тестирование методики численного моделирования процессов переноса импульса и тепла в трубе теплообменного аппарата: анализ влияния молекулярного числа Прандтля на коэффициенты теплоотдачи и аналогии Рейнольдса
2.3.2. Тестирование методики численного моделирования процессов переноса импульса и тепла при обтекании пластины: анализ ламинарно-турбулентного перехода
ГЛАВА 3. ТЕЧЕНИЕ В ТРУБЕ С ОТСОСОМ ГАЗА ЧЕРЕЗ ПРОНИЦАЕМЫЕ СТЕНКИ
2.1. Постановка задачи
2.2. Результаты расчетов
2.3. Выводы
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ВДУВА (ОТСОСА) НА
ЭНЕРГОРАЗДЕЛЕНИЕ СВЕРХЗВУКОВОГО И ДОЗВУКОВОГО ПОТОКОВ ГАЗА
4.1. Постановка задачи
4.2. Результаты расчетов

4.3. Выводы
ГЛАВА 5. ТЕМПЕРАТУРНАЯ СТРАТИФИКАЦИЯ ПРИ ОТСОСЕ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ ИЗ СВЕРХЗВУКОВОГО ПОТОКА
5.1. Постановка задачи
5.2. Исследование влияния отсоса на стенке на теплообмен и трение в турбулентном пограничном слое
5.3. Переход к режиму асимптотического отсоса. Критерии существования асимптотического режима
5.4. Выводы
ГЛАВА 6. ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА В СВЕРХЗВУКОВОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ ПРИ ВДУВЕ ИНОРОДНОГО ГАЗА
6.1. Постановка задачи
6.2. Пластина с одной проницаемой вставкой
6.3. Пластина с двумя проницаемыми вставками
6.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ. КОЭФФИЦИЕНТЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ И АНАЛОГИИ РЕЙНОЛЬДСА В ДИАПАЗОНЕ ЧИСЕЛ ПРАНДТЛЯРг=0.
П. 1. Коэффициент восстановления температуры на теплоизолированной
пластине в сверхзвуковом потоке газа
П.2. Коэффициент аналогии Рейнольдса для пластины и трубы в дозвуковом потоке газа
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы.
На сегодняшний день известен ряд примеров реализации температурной стратификации в газовых потоках. Основное направление использования данного явления - получение потоков с разностью температур в устройствах, предназначенных для безмашинного энергоразделения. Методом газодинамического энергоразделения (температурной стратификации) будем считать процесс перераспределения полного теплосодержания газового потока, который осуществляется без совершения газом внешней работы и при отсутствии теплообмена с окружающей средой.
Температура тела, находящегося в высокоскоростном газовом потоке, вследствие вязкой диссипации и конвективного переноса энергии может существенно отличаться от температуры адиабатически заторможенного газа. Мерой отклонения температуры теплоизолированной стенки (температуры восстановления) от полной температуры газа служит коэффициент восстановления г, который при ламинарном течении существенно зависит от молекулярного числа Прандтля Рг и больше или меньше единицы в зависимости от того, больше или меньше единицы Рг. Поэтому, если между двумя газовыми потоками, поступающими из общего ресивера, но имеющими разные (дозвуковую и сверхзвуковую) скорости и Рг Ф 1, поместить твердую стенку, через нее будет происходить обмен теплом, т.е. нагревание одной части газа за счет охлаждения другой.
Газодинамический метод стратификации температуры газовых потоков, основанный на зависимости коэффициента восстановления температуры г от числа Прандтля, был предложен А.И. Леонтьевым в 1996 году [26]. Были проведены как предварительные, так и детальные аналитические и численные исследования, предложены различные схемы использования устройства температурной стратификации газа, среди которых можно особо выделить устройства на базе природного газа. Описано первое экспериментальное исследование метода газодинамической стратификации для воздуха, экспериментально подтвержден
моделей, которые продемонстрировали удовлетворительное совпадение с экспериментом. Ограниченность обзора [87] в том, что в нем рассмотрены только двухпараметрические модели, а в качестве теста выбран пограничный слой несжимаемой жидкости.
В [52] предпринята попытка расширения круга моделей, которые используются в расчетах в настоящее время, и сравнение их на тестовой задаче, в качестве которой выбран турбулентный пограничный слой в сопле ЖРД. Такой выбор обусловлен тем обстоятельством, что эта задача представляет собой комплексный тест, в котором существенными являются эффекты сжимаемости, обусловленные большими значениями величин теплового потока в стенку, числа Маха потока и разности температур стенки сопла и газа, а также имеется значительный отрицательный градиент давления.
Для проведения сравнительного анализа выбраны следующие модели турбулентности: интегральная модель [1]; алгебраическая модель для турбулентной вязкости и, [77]; однопараметрическая модель [67], в которой для у( используется уравнение переноса; группа двухпараметрических моделей [78,84,92,93], в которых используются уравнения переноса для энергии турбулентности Е и скорости диссипации энергии турбулентности или “частоты” турбулентности ш (или со2); трехпараметрическая модель [48], в которой уравнения переноса записаны для Е, со2 и напряжения сдвига г.
Для развитого течения несжимаемой жидкости в круглой трубе по всем рассмотренным моделям турбулентности в пределах разброса опытных данных имеется соответствие эксперименту. Однако физически более обоснованными представляются модели в [78] и [48], которые в вязком подслое дают необходимые степенные зависимости Е ~ у2, Ь~ у, г ~ у3"4.
Расчет сжимаемого до- и сверхзвукового пограничного слоя в сопле ЖРД показал, что для адиабатической стенки результаты расчетов по всем моделям близки между собой. В случае охлаждаемой стенки, когда существенно влияние температурного фактора, результаты расчета различаются. Полученные результаты сравнивались с результатами расчета по трехпараметрической модели [48]. Для