Численное моделирование теплообмена и гидродинамики в круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе

С использованием пакета прикладных программ ANSYS CFX выполнено компьютерное моделирование гидродинамики и теплообмена в круглой трубе с наклоннотангенциальной закруткой потока на входе и 90° поворотом на выходе. Використовуючи пакет прикладних програм ANSYS CFX виконано комп’ютерне моделювання гідр...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Промышленная теплотехника
Date:	2015
Main Authors:	Халатов, А.А., Кобзарь, С.Г., Дашевский, Ю.Я.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2015
Subjects:	Тепло- и массообменные процессы
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142152
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Численное моделирование теплообмена и гидродинамики в круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе / А.А. Халатов, С.Г. Кобзарь, Ю.Я. Дашевский // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 1. — С. 12-21. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-142152
record_format	dspace
spelling	Халатов, А.А. Кобзарь, С.Г. Дашевский, Ю.Я. 2018-09-29T08:15:37Z 2018-09-29T08:15:37Z 2015 Численное моделирование теплообмена и гидродинамики в круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе / А.А. Халатов, С.Г. Кобзарь, Ю.Я. Дашевский // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 1. — С. 12-21. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0204-3602 DOI: https://doi.org/10.31472/ihe.1.2015.02 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142152 532.516 С использованием пакета прикладных программ ANSYS CFX выполнено компьютерное моделирование гидродинамики и теплообмена в круглой трубе с наклоннотангенциальной закруткой потока на входе и 90° поворотом на выходе. Використовуючи пакет прикладних програм ANSYS CFX виконано комп’ютерне моделювання гідродинаміки та теплообміну в круглій трубі з нахильно-тангенціальним завихренням потоку на вході та 90° поворотом на виході. Based on the commercial software ANSYS CFX the computer simulation of heat transfer and hydrodynamics was performed in the round tube with incline-tangential flow swirl at the inlet and flow 90° turn at the exit. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные процессы Численное моделирование теплообмена и гидродинамики в круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе Numerical simulation of heat transfer and hydrodynamics in round tube with inclinedtangential flow swirl at the inlet Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Численное моделирование теплообмена и гидродинамики в круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе
spellingShingle	Численное моделирование теплообмена и гидродинамики в круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе Халатов, А.А. Кобзарь, С.Г. Дашевский, Ю.Я. Тепло- и массообменные процессы
title_short	Численное моделирование теплообмена и гидродинамики в круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе
title_full	Численное моделирование теплообмена и гидродинамики в круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе
title_fullStr	Численное моделирование теплообмена и гидродинамики в круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе
title_full_unstemmed	Численное моделирование теплообмена и гидродинамики в круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе
title_sort	численное моделирование теплообмена и гидродинамики в круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе
author	Халатов, А.А. Кобзарь, С.Г. Дашевский, Ю.Я.
author_facet	Халатов, А.А. Кобзарь, С.Г. Дашевский, Ю.Я.
topic	Тепло- и массообменные процессы
topic_facet	Тепло- и массообменные процессы
publishDate	2015
language	Russian
container_title	Промышленная теплотехника
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
format	Article
title_alt	Numerical simulation of heat transfer and hydrodynamics in round tube with inclinedtangential flow swirl at the inlet
description	С использованием пакета прикладных программ ANSYS CFX выполнено компьютерное моделирование гидродинамики и теплообмена в круглой трубе с наклоннотангенциальной закруткой потока на входе и 90° поворотом на выходе. Використовуючи пакет прикладних програм ANSYS CFX виконано комп’ютерне моделювання гідродинаміки та теплообміну в круглій трубі з нахильно-тангенціальним завихренням потоку на вході та 90° поворотом на виході. Based on the commercial software ANSYS CFX the computer simulation of heat transfer and hydrodynamics was performed in the round tube with incline-tangential flow swirl at the inlet and flow 90° turn at the exit.
issn	0204-3602
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142152
citation_txt	Численное моделирование теплообмена и гидродинамики в круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе / А.А. Халатов, С.Г. Кобзарь, Ю.Я. Дашевский // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 1. — С. 12-21. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT halatovaa čislennoemodelirovanieteploobmenaigidrodinamikivkrugloitrubesnaklonnotangencialʹnoizakrutkoipotokanavhode AT kobzarʹsg čislennoemodelirovanieteploobmenaigidrodinamikivkrugloitrubesnaklonnotangencialʹnoizakrutkoipotokanavhode AT daševskiiûâ čislennoemodelirovanieteploobmenaigidrodinamikivkrugloitrubesnaklonnotangencialʹnoizakrutkoipotokanavhode AT halatovaa numericalsimulationofheattransferandhydrodynamicsinroundtubewithinclinedtangentialflowswirlattheinlet AT kobzarʹsg numericalsimulationofheattransferandhydrodynamicsinroundtubewithinclinedtangentialflowswirlattheinlet AT daševskiiûâ numericalsimulationofheattransferandhydrodynamicsinroundtubewithinclinedtangentialflowswirlattheinlet
first_indexed	2025-11-27T07:17:11Z
last_indexed	2025-11-27T07:17:11Z
_version_	1850803331135438848
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №112 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ С использованием пакета при- кладных программ ANSYS CFX вы- полнено компьютерное моделиро- вание гидродинамики и теплооб- мена в круглой трубе с наклонно- тангенциальной закруткой потока на входе и 90° поворотом на выхо- де. Выполнена верификация двух групп моделей турбулентности, оп- ределены основные параметры рас- четной сетки, позволяющие полу- чить приемлемую точность расчета. Сопоставление результатов расче- тов с экспериментальными данны- ми показало, что использование k-ω модели турбулентности дает наи- лучшие результаты при расчете по- верхностного угла закрутки пото- ка; все модели турбулентности хо- рошо описывают коэффициент гид- равлического сопротивления, а LRR модель напряжений Рейнольдса наи- более точно описывает теплообмен. Використовуючи пакет при- кладних програм ANSYS CFX ви- конано комп’ютерне моделювання гідродинаміки та теплообміну в круглій трубі з нахильно-танген- ціальним завихренням потоку на вході та 90° поворотом на виході. Виконано верифікацію двох груп моделей турбулентності, визначені основні параметри розрахункової сітки, які дозволяють отримати прийнятну точність розрахунків. Співставлення результатів розра- хунків з експериментальними да- ними показало, що використання k-ω моделі турбулентності дає кращі результати при розрахунку поверхневого кута завихрення по- току; всі моделі турбулентності до- бре розраховують коефіцієнт гід- равлічного опору, а LRR модель на- пружень Рейнольдса найбільш точ- но описує теплообмін. Based on the commercial software ANSYS CFX the computer simulation of heat transfer and hydrodynamics was performed in the round tube with incline-tangential flow swirl at the inlet and flow 90° turn at the exit. Two groups of turbulence models and basic parameters of the computer grid were verified allowing obtain the accepted accuracy. Comparison of predicted and experimental results showed that k-ω turbulence model provides good agree- ment for the surface swirl angle, all tested models describes well the pressure drop coefficient, while LRR model of Reynolds stresses predicts precisely heat transfer data. Библ. 10, табл. 4, рис. 6. Ключевые слова: гидродинамика, закрученный поток, теплоотдача, наклонно-тангенциальная за- крутка; модели турбулентности. УДК 532.516 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРОДИНАМИКИ В КРУГЛОЙ ТРУБЕ С НАКЛОННО-ТАНГЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАКРУТКОЙ ПОТОКА НА ВХОДЕ Халатов А.А.1,3, академик НАН Украины, Кобзарь С.Г.1, канд. тех. наук, Дашевский Ю.Я.2 1 Институт технической теплофизики НАН Украины, ул. Желябова, 2а, Киев, 03680, Украина 2 ГП НПКГ «Зоря»-«Машпроект», пр. Октябрьский, 42а, Николаев, 54018, Украина 3 Национальный технический университет Украины «КПИ», Проспект Победы 37, Киев, 03056, Украина d – диаметр цилиндрического канала, м; f – коэффициент гидравлического сопротивления; k – кинетическая энергия турбулентности; P – давление, Па; y+ – безразмерное расстояние от стенки до первой ячейки расчетной сетки; Т – температура, К, °С; u, v, w – компоненты скорости потока по осям х, y, z, м/с; x, y, z – оси декартовой системы координат; α – коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К; ϕ – угол закрутки потока, градус; ν – кинематический коэффициент вязкости, м2/с; ρ – плотность, кг/м3; ε – турбулентная диссипация; Nu – число Нуссельта; Re – число Рейнольдса. Введение Закрученные течения широко применяют в технических устройствах для интенсификации процессов теплообмена и совершенствования многих теплофизических процессов. Подавля- ющее большинство опубликованных исследова- ний выполнены для условий классической тан- генциальной закрутки потока, когда поток на ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №1 13 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ входе в трубу подается под углом 90° к ее про- дольной оси. В последние годы в связи с раз- работкой и исследованием внутреннего цик- лонного охлаждения лопаток газовых турбин самостоятельный интерес получила наклонно- тангенциальная закрутка, когда поток подается тангенциально и под углом к оси канала менее 90° в направлении движения потока. Большой цикл экспериментальных исследований тепло- обмена и гидродинамики в этом направлении представлен в работе [1]. Полученные резуль- таты кроме самостоятельного значения могут служить основой для разработки более точных методов компьютерного моделирования закру- ченного потока с использованием современных коммерческих пакетов. Цель и задачи исследования. С использова- нием коммерческого программного комплекса Ansys CFX выполнить компьютерное моделиро- вание гидродинамики и теплообмена в круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой по- тока и 90° поворотом на выходе. На основе срав- нения с результатами экспериментального иссле- дования [1, 9, 10] определить адекватные модели турбулентности и получить новые данные в об- ласти, прилегающей к наклонно-тангенциаль- ному завихрителю. Объект исследования и компьютерная модель В качестве объекта исследований исполь- зован круглый канал с внутренним диаметром 20 мм (рис. 1), исследованный эксперименталь- но в работе [1]. Исследуемая геометрия была построена в декартовой системе координат. При компьютерном моделировании использовалась неструктурированная комбинированная расчет- ная сетка, построенная при помощи сеточного генератора ANSYS CFX Mesh., которая представ- ляет собой комбинацию тетраэдральных эле- ментов в области основного потока с призма- тическими элементами в области сгущения рас- чётной сетки около твёрдой поверхности кана- ла. Согласно рекомендациям разработчика про- граммы ANSYS CFX, количество слоев призма- тических элементов около стенки должно быть не меньше 10. На предварительной стадии было выполнено исследование влияния способа зада- ния сгущения сетки около твердой стенки канала на ее качество. Перебор методов создания сгу- Рис. 1. Геометрическая модель объекта исследования [1]: 1 – распределительный канал; 2 – тангенциальный завихритель; 3 – основной цилиндрический канал. Основные размеры: a = 5 мм; b = 59 мм; c = 30 мм; d = 20 мм; e = 20 мм; f = 25 мм; k = 40 мм; l = 231 мм; m = 15 мм; n = 40 мм. щения сетки около стенки канала показал, что наиболее оптимальным способом задания сгу- щения является метод Максимальная толщина слоя, причем значение максимальной толщины должно быть равным 0,0005 м (0,025 диаметра канала). Исследуемая геометрия построена в среде ANSYS Design Manager, общий вид 3D компьютерной модели показан на рис. 2. Анализ опубликованных данных показал [2- 7], что для расчета закрученного течения в кру- глом канале хорошие результаты демонстриру- ют две группы моделей турбулентности. Пер- вая из них включает модели k-ε, RNG k-ε и LRR модель напряжений Рейнольдса, использующие масштабируемые пристеночные функции. При использовании этой группы в расчетах приме- нялась сетка с параметрами, которые приведены в таблице 1, причем значение y+ не превышало 40. Вторая группа моделей турбулентности со- стоит из моделей k-ω и SST, которые исполь- зуют автоматические пристеночные функции. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №114 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Табл. 2. Граничные условия Расход воздуха Gin, г/с 32,28 Температура воздуха Tin, °C 97 Температура стенки завихрителя Twz, °C 30 Температура стенки цилиндрического канала Tw, °C 20 Рис. 2. Компьютерная 3D-модель объекта исследования и схема постановки граничных условий. Табл. 1. Параметры расчетной сетки Параметры сетки Класс моделей турбулентности Масштабируемые пристеночные функции Автоматические пристеночные функции Сгущение около стенки Максимальная толщина слоя, м 5,0 е-4 5,0 е-4 Количество слоев, ед. 15 17 Фактор роста 1,2 1,3 Максимальный размер ячейки на поверхностях, м 2,0 е-3 2,0 е-3 Максимальный размер ячейки, м 2,0 е-3 2,0 е-3 Количество элементов 808325 874863 Количество узлов 1694651 1861029 Для данной группы использовалась расчетная сетка с параметрами, которые приведены в та- блице 1, при этом значение y+ не превышало 1,0. Физическая модель и граничные условия При анализе моделей турбулентности были использованы результаты экспериментов по ги- дродинамике [1, 9] и теплообмену [1, 10] закру- ченного потока в трубе с наклонно-тангенциаль- ной закруткой потока и 90° поворотом на выходе, которые характеризуются высокой степенью по- вторяемости. Рассмотрен случай теплообмена от нагретого воздушного закрученного потока к охлаждаемой стенке. Среднерасходное число Рейнольдса в обоих случаях составляло 100000, что практически соответствует реальным усло- виям внутреннего охлаждения лопаток газовых турбин. Схема постановки граничных условий зада- чи представлена на рис. 2, перечень граничных условий приводится в таблице 2. На выходе из расчетной области (за выходным поворотом) за- давалось атмосферное статическое давление рав- ное 101325 Па. Воздух считался идеальным газом с тепло- физическими свойствами, зависящими от темпе- ратуры. В частности, зависимость теплоёмкости при постоянном давлении от температуры зада- валась полиномиальной зависимостью вида [8]: , где R – универсальная газовая постоянная; a0... a4 – коэффициенты полинома [8]. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №1 15 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Зависимость коэффициента динамической вязкости и теплопроводности воздуха от темпе- ратуры задавались формулами Сазерленда [8]: где μ0, λ0 – базовые значения коэффициентов динамической вязкости и теплопроводности со- ответственно; T0 = 273,15 K базовое значение тем- пературы воздуха. Осреднённые по Рейнольдсу уравнения На- вье-Стокса решались для вязкого теплопровод- ного газа в стационарной постановке, при рас- чете теплообмена использовано полное уравне- ние сохранения энергии. Результаты моделирования Как указывалось выше, при компьютерном моделировании были использованы две группы моделей турбулентности – модели с автомати- ческими пристеночными функциями (SST и k-ω) и с масштабируемыми пристеночными функци- ями (k-ε, RNG k-ε, LRR модель напряжений Рей- нольдса – LRR-RSM). Сравнение расчетных и эк- спериментальных результатов проводилось по углу закрутки потока вблизи стенки канала, ко- эффициенту гидравлического сопротивления и числу Нуссельта Nud. Угол закрутки потока в цилиндрическом ка- нале определялся путем обработки рассчитан- ного поля скорости в CFX-post, при помощи созданной пользовательской переменной. Для де- картовой системы координат тангенс угла закрут- ки определялся согласно формуле: . (1) Коэффициент гидравлического сопротивле- ния определялся соотношением: , (2) где wср – среднерасходная осевая скорость потока в канале. При использовании стандартной функ- ции CFX-post для определения коэффициента теплоотдачи, в случае использования моделей турбулентности с автоматическими пристеноч- ными функциями, результаты расчета числа Нуссельта получаются завышенными в несколь- ко раз. В этом случае целесообразно использо- вать экспертный параметр Tbulk, который исполь- зуется в функции CFX-post в качестве опреде- ляющей температуры потока. Также возможен вариант расчета осредненного коэффициента те- плоотдачи, используя рассчитанный компьютер- ной программой тепловой поток и коэффициент теплоотдачи: α = [areaAve(Wall Heat Flux)@User Surface 1] / [areaAve(Temperature)@Plane 1 – – areaAve(Temperature)@User Surface 1], (3) здесь: Plane 1 – выбранное поперечное сечение верхность расчетной области, которая образова- на пересечением поперечного сечения Plane 1 со стенкой канала. Результаты расчета изменения поверхност- ного угла закрутки потока, коэффициента гид- равлического сопротивления и локального чис- ла Нуссельта по длине канала представлены на рис. 3 – 6. Начало отсчета соответствует выход- ному «срезу» тангенциальной щели, направле- ние оси х показано на рис. 1. На рис. 3 приведены результаты расчета и экспериментальных измерений поверхностно- го угла закрутки потока [1, 9]. Как следует, ап- проксимированное на начало координат значение этого угла составляет около 50°, тогда как его геометрическое значение равно 30° (рис. 1). Это обусловлено перестройкой потока еще до входа потока в щель тангенциального завихрителя. Сравнение показывает (рис. 3), что в обла- сти x/d > 2,0 все модели с автоматическими и масштабируемыми пристеночными функциями достаточно хорошо описывают изменение этого параметра, но наилучшие результаты показывает k-ω модель турбулентности. Некоторая неопре- деленность в определении угла закрутки имеет место в области 0 < x/d < 1,5…2,0, где наблюда- ется значительное расхождение результатов рас- чета. В первом приближении можно принять, что наиболее адекватные результаты демонстрирует SST – модель турбулентности, данные которой при х = 0 соответствуют экспериментальным значениям угла закрутки, аппроксимированным ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №116 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ на начало координат. Что касается экстремаль- ного поведения этой кривой в области x/d < 1,5, то это может быть обусловлено перестройкой структуры потока внутри канала. На рис. 4 представлено сравнение расчетных и экспериментальных данных по коэффициенту гидравлического сопротивления. В области x/d > 3,0 все модели турбулентности дают при- мерно одинаковые результаты и хорошо согла- суются с экспериментальными данными [9] и Рис. 4. Продольное распределение коэффициента гидравлического сопротивления: □ – эксперимент [9]; 1 – кривая аппроксимации экспериментальных данных [9]. Рис. 3. Продольное изменение значения тангенса угла закрутки: □ – эксперимент [9]; 1 – кривая аппроксимации экспериментальных данных [9]. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №1 17 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ аппроксимирующей кривой полученной в рабо- те [9]. В области x/d < 3,0 наблюдаются значи- тельный рост потерь полного давления, что объ- ясняется перестройкой структуры потока в об- ласти сразу после завихрителя. В качестве коэф- фициента гидравлического сопротивления f при х = 0 можно принять среднее значение равное 0,85. На рис. 5, 6 представлены результаты рас- чета локального числа Нуссельта. Для моделей с автоматическими пристеночными функциями расчет выполнен с использованием экспертного параметра Tbulk, который используется пакетом CFX в качестве определяющей температуры по- тока (при расчетах этот параметр задавался рав- Рис. 5. Продольное распределение локального числа Нуссельта. Точки – экспериментальные данные работы [10]. Рис. 6. Продольное распределение локального числа Нуссельта. Точки – экспериментальные данные работы [10]. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №118 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ным средней температуре потока в трубе). Для моделей с масштабируемыми пристеночными функциями число Нуссельта рассчитывалось по коэффициенту теплоотдачи, полученному стан- дартными средствами CFX-post. Анализ результатов приведенных на рис. 5, показывает, что для закрученного потока в трубе модели турбулентности с автоматическими при- стеночными функциями дают существенно за- ниженное значение числа Нуссельта, в то время как модели с масштабируемыми пристеночны- ми функциями (RNG k-ε; LRR RSM) показывают удовлетворительную точность. На рис. 6 приведены результаты расчета чис- ла Нуссельта с использованием коэффициента теплоотдачи рассчитанного по выражению (3). Применение такого подхода позволило повысить точность расчета теплоотдачи с использовани- ем моделей с автоматическими пристеночными функциями, но достигнутая точность является не удовлетворительной. В тоже время результа- ты расчета теплоотдачи, которые получены с ис- пользованием модели напряжений Рейнольдса (LRR-RSM) дают хорошее согласование с экс- периментальными данными в области x/d > 1,5. Полученные результаты также показывают зна- чительный рост теплообмена в области x/d < 1,5. Потери в завихрителе и в выходном повороте Компьютерное моделирование позволило определить гидравлические потери в наклонно- тангенциальном завихрителе, а также в выход- ном 90° повороте. Коэффициент гидравличес- кого сопротивления завихрителя определялся со- отношением: , (4) где ΔΡ* – разность полных давлений перед за- вихрителем и в сечении трубы за завихрителем на расстоянии x/d = 1,5 от выходного «среза» тангенциальной щели (как это было принято в работе [8]); wщ, ρщ – среднемассовая скорость и плотность воздуха в щели завихрителя. Коэффициент гидравлического сопротивле- ния выходного поворота определялся по соот- ношению: , (5) где ΔPtum – разность полных давлений перед поворотом и на выходе из него; wcp, ρср – сред- немассовая скорость потока в канале и плотность в цилиндрическом канале на входе в поворот. Результаты сравнения коэффициента гидрав- лического сопротивления завихрителя при ис- пользовании различных моделей турбулентнос- ти представлены в таблице 3. Эти данные пока- зывают, что наилучшее согласование расчета с экспериментом демонстрирует LRR модель на- пряжений Рейнольдса. Относительная погреш- ность расчета составляет 9,4 %. Что касается потерь полного давления в самой щели танген- циального завихрителя, то, используя данные, представленные на рис. 4 и в таблице 2, можно получить, что коэффициент гидравлического сопротивления ζz * составляет 2,01. Здесь ζz ** = = 2 ΔРщ /(ρщwщ 2). Результаты расчета коэффициента гидравли- ческого сопротивления выходного поворота пред- ставлены в таблице 4. Эти данные показывают, что наилучшее согласование расчетных данных с экспериментом получено при использовании k-ω модели турбулентности. Относительная по- грешность расчета в этом случае составляет 9,14 %. В целом, более высокая погрешность Табл. 3. Результаты расчета коэффициента сопротивления завихрителя Модель турбулентности Расчет Эксперимент [8] Относительная погрешность, % k-ε 2,757 3,086 10,6 k-ε–RNG 2,754 10,75 k-ω 2,711 12,1 SST 2,775 10,07 LRR-RSM 2,796 9,4 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №1 19 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Табл. 4. Результаты расчета коэффициента сопротивления выходного поворота ζ turn Модель турбулентности Расчет Эксперимент [8] Относительная погрешность, % k-ε 0,8384 0,703 19,2 k-ε–RNG 0,8655 23 k-ω 0,7673 9,14 SST 0,7925 12,7 LRR-RSM 0,796 13,2 расчета коэффициента сопротивления выходно- го поворота, может быть обусловлена различи- ем в задании величины статического давления на выходе из расчетной области и статического давления на выходе из участка поворота, наблю- даемого в экспериментах. Эти данные в работе [9] не приводятся. Выводы 1. С использованием пакета прикладных программ ANSYS CFX выполнено компьютер- ное моделирование гидродинамики и теплооб- мена в трубе с наклонно-тангенциальной зак- руткой потока и 90° поворотом на входе. В рас- четах использованы две группы моделей тур- булентности – с автоматическими пристеноч- ными функциями (SST и k-ω модели) и с мас- штабируемыми пристеночными функциями (k-ε, RNG k-ε, LRR-RSM модели). 2. Определены параметры расчетной сетки, при которых пакет прикладных программ ANSYS CFX позволяет получить приемлемую точность расчета гидродинамики и теплообмена в трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока. 3. Сопоставление результатов расчета с экс- периментальными данными показало, что: • наилучшие результаты при расчете по- верхностного угла закрутки потока в области x/d > 2,0 дает использование k-ω модели турбу- лентности; • все модели турбулентности показывают примерно одинаковые и хорошо согласующиеся с экспериментом результаты расчета гидравли- ческого сопротивления в области x/d > 3,0; • наилучшие результаты при расчете ло- кального теплообмена во всей области канала получены при использовании LRR модели на- пряжений Рейнольдса; • при расчете коэффициента гидравличес- кого сопротивления наклонно-тангенциального завихрителя наилучшее согласование с экспери- ментом демонстрирует LRR модель напряжений Рейнольдса, а при расчете коэффициента гидрав- лического сопротивления выходного поворота – k-ω модель турбулентности. 4. Получены новые данные, характеризую- щие некоторые особенности гидродинамики и теплообмена около наклонно-тангенциального завихрителя. ЛИТЕРАТУРА 1. Теплообмен и гидродинамика при циклон- ном охлаждении лопаток газовых турбин/ Хала- тов А.А., Романов В.В., Борисов И.И., Дашевский Ю.Я., Северин С.Д. / Изд. Института технической теплофизики НАН Украины. – Киев. – 2010. – 317 с. 2. John P.C.W. Ling, Peter T. Ireland, Neil. W. Harvey. Measurement of Heat Transfer Coefficient Distributions and Flow Field in a Model of a Turbine Blade Cooling Passage with Tangential Injection // ASME Paper # GT2006-90352. 3. Zhao LIU, Zhen Рing FENG, Liming Song. Numerical Study on Flow and Heat Transfer Cha- racteristics of Swirl Cooling on Leading Edge Mo- del of Gas Turbine Blade // ASME Paper # GT2011- 46125. 4. Hay, N., & West, P.D., 1975, “Heat Transfer in Free Swirling Flow in a Pipe,” ASME Journal of Heat Transfer, P. 411 – 416. 5. Andreas Lerch, Heinz-Peter Schiffer, Daniela Klaubert. Impact on Adiabatic Film Cooling Effec- tiveness Using Internal Cyclone Cooling // ASME Paper GT2011-45120. 6. D.W. Stephens, K. Mohanarangam. Turbu- lence model analysis of flow inside a hydrocyclone // Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries CSIRO, Melbour- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №120 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ne, Australia. – 9-11 December, 2009. 7. Ali M. Jawarneh, Hitham Tlilan, Ahmad Al- Shyyab, Amer Ababneh. Strongly swirling flows in a cylindrical separator//Minerals Engineering 21 (2008)/ P. 366 – 372. 8. Introduction to Thermal Science/Shmidt F., Henderson R., Wolgemuth C./ John Wiley&Son. – New York. – 1984. – 445 p. 9. Халатов А.А., Борисов И.И., Дашевский Ю.Я., Северин С.Д. Гидродинамика закручен- ного потока в трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока и 90°-поворотом на выходе // Промышленная теплотехника. – 2009. – Т. 31, №6. – С. 6 – 13. 10. A. Khalatov, I. Borisov, S. Severin, V. Ro- manov, V. Spitsyn, Yu. Dashevskyy. Heat Transfer, Hydrodynamics and Pressure Drop in the Model of a Blade Leading Edge Cyclone Cooling // Proc. of ASME Turbo Expo 20011. – GT2011-45150. – 9 p. NUMERICAL SIMULATION OF HEAT TRANSFER AND HYDRODYNAMICS IN ROUND TUBE WITH INCLINED- TANGENTIAL FLOW SWIRL AT THE INLET Khalatov A.A.1,3, Kobzar S.G.1, Dashevskyy Yu. Y.2 1 Institute of Engineering Thermophysics, National Academy of Sciences of Ukraine, 2a Zhelyabova str., Kiev, 03680, Ukraine 2 GP NPKG «Zorya»-Mashproekt», 42a, Pr. Oktyabrskiy, Nikolev, 54018, Ukraine 3 The National Technical University «КРI», 37 Pobedi Avenue, Kiev, 03056, Ukraine Based on the commercial software ANSYS CFX the computer simulation of heat transfer and hyd- rodynamics was performed in the round tube with incline-tangential flow swirl at the inlet and flow 90° turn at the exit. Two groups of turbulence models and basic parameters of the computer grid were verified allowing obtain the accepted accuracy. Comparison of predicted and experimental results showed that k-ω turbulence model provides good agreement for the surface swirl angle, all tested models describes well the pressure drop coefficient, while LRR model of Reynolds stresses predicts precisely heat transfer data. References 10, tables. 4, figures 6. Key words: hydrodynamics, swirling flow, heat transfer, inclined-tangential flow swirl, turbulence models. 1. Heat transfer and hydrodynamics at cyclone cooling of gas turbine blades / Khalatov A.A., Ro- manov V.V., Borisov I.I., Dashevskyy Yu.Y., Severin S.D. / Institute for Engineering Thermophysics. Na- tional Academy of Sciences of Ukraine. – Kyiv. – 2010. – 317 p. (Rus.) 2. John P.C.W. Ling, Peter T. Ireland, Neil. W. Harvey. Measurement of Heat Transfer Coeffi- cient Distributions and Flow Field in a Model of a Turbine Blade Cooling Passage with Tangential Injection // ASME Paper # GT2006-90352. 3. Zhao LIU, Zhenping FENG, Liming Song. Numerical Study on Flow and Heat Transfer Cha- racteristics of Swirl Cooling on Leading Edge Model of Gas Turbine Blade // ASME Paper # GT2011-46125. 4. Hay, N., & West, P. D. Heat Transfer in Free Swirling Flow in a Pipe// ASME Journal of Heat ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №1 21 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Transfer. – 1975. – P. 411 – 416. 5. Andreas Lerch, Heinz-Peter Schiffer, Da- niela Klaubert. Impact on Adiabatic Film Cooling Effectiveness Using Internal Cyclone Cooling // ASME Paper GT2011-45120. 6. D.W. Stephens, K. Mohanarangam. Turbu- lence model analysis of flow inside a hydrocyc- lone // Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries CSIRO, Melbourne, Australia. – 9-11 December 2009. 7. Ali M. Jawarneh, Hitham Tlilan, Ahmad Al-Shyyab, Amer Ababneh. Strongly swirling flows in a cylindrical separator//Minerals Engineering. – 2008. – v.21. – Р. 366 – 372. 8. Introduction to Thermal Science/Shmidt F., Henderson R., Wolgemuth C./ John Wiley&Son.- New York. – 1984. – 445 p. 9. A. Khalatov, I. Borisov, Yu. Dashevsky, S. Severin. Hydrodynamics of the swirled fl ow in the tube with the obliquely-tangential fl ow swirl and 90 degrees outlet channel bend // Promysh- lennaya teplotekhnika. – 2009. – vol. 31, № 6. – P. 6 – 13. (Rus.) 10. A. Khalatov, I.Borisov, S. Severin, V. Ro- manov, V. Spitsyn, Yu. Dashevskyy. Heat Transfer, Hydrodynamics and Pressure Drop in the Model of a Blade Leading Edge Cyclone Cooling // Proc. of ASME Turbo Expo 20011. – GT2011-45150. – 9 p. Получено 05.06.2014 Received 05.06.2014

Численное моделирование теплообмена и гидродинамики в круглой трубе с наклонно-тангенциальной закруткой потока на входе

Institution

Similar Items