Разработка и верификация CFD-модели теплообмена для входного участка трубы при отрывном течении
Проведено исследование области отрыва воздушного потока в начальном участке круглой прямой трубы, имеющей острую входную кромку с углом 90º. В программе ANSYS-FLUENT разработана численная (CFD-) модель, позволяющая проводить расчеты теплогидродинамических параметров потока при отрывном течении в диа...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2011
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60347 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Разработка и верификация CFD-модели теплообмена для входного участка трубы при отрывном течении / В.А. Рогачев, А.В. Баранюк, П.Г. Круковский // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 4— С. 32-42. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859613838104592384 |
|---|---|
| author | Рогачев, В.А. Баранюк, А.В. Круковский, П.Г. |
| author_facet | Рогачев, В.А. Баранюк, А.В. Круковский, П.Г. |
| citation_txt | Разработка и верификация CFD-модели теплообмена для входного участка трубы при отрывном течении / В.А. Рогачев, А.В. Баранюк, П.Г. Круковский // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 4— С. 32-42. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Проведено исследование области отрыва воздушного потока в начальном участке круглой прямой трубы, имеющей острую входную кромку с углом 90º. В программе ANSYS-FLUENT разработана численная (CFD-) модель, позволяющая проводить расчеты теплогидродинамических параметров потока при отрывном течении в диапазоне чисел Рейнольдса от 28·10³ до 110·10³. Верификация используемых численных моделей осуществлялась по данным экспериментальных измерений пространственного поля статических давлений и локального теплообмена в начальном участке круглой трубы.
Проведено дослідження області відриву повітряного потоку в початковій ділянці круглої прямої труби, що має гостру вхідну кромку з кутом 90º. В програмі ANSYS-FLUENT розроблена числова (CFD-) модель, що дозволяє проводити розрахунки теплогідродинамічних параметрів потоку при відривній течії в діапазоні чисел Рейнольдса від 28·10³ до 110·10³. Верифікація числових моделей здійснювалася за даними експериментальних вимірювань просторового поля статичного тиску і локального теплообміну в початковій ділянці круглої труби.
Research of area of tearing away of current of air is conducted in the initial area of round direct pipe, having a sharp entrance edge with a corner 90º. With ANSYS-FLUENT software a numeral (CFD-) model, allowing to conduct the calculations of heat and hydrodynamics parameters of stream at a that can be torn off flow in the range of numbers of Reynol'dsa from 28·10³ to 110·10³, is developed. Verifikaciya of in-use numeral models was carried out from data of the experimental measuring of the spatial field of static pressures and local heat exchange in an initial area
|
| first_indexed | 2025-11-28T16:57:17Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №432
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 536.242:532.242
Рогачев В.А., Баранюк А.В., Круковский П.Г.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»
РАЗРАБОТКА И ВЕРИФИКАЦИЯ CFD- МОДЕЛИ ТЕПЛООБМЕНА ДЛЯ ВХОДНОГО
УЧАСТКА ТРУБЫ ПРИ ОТРЫВНОМ ТЕЧЕНИИ
Проведено дослідження об-
ласті відриву повітряного потоку
в початковій ділянці круглої
прямої труби, що має гостру
вхідну кромку з кутом 90º. В прог-
рамі ANSYS-FLUENT розроблена
числова (CFD-) модель, що доз-
воляє проводити розрахунки теп-
логідродинамічних параметрів по-
току при відривній течії в діапа-
зоні чисел Рейнольдса від 28·103
до 110·103. Верифікація числових
моделей здійснювалася за даними
експериментальних вимірювань
просторового поля статичного
тиску і локального теплообміну в
початковій ділянці круглої труби.
Проведено исследование об-
ласти отрыва воздушного потока в
начальном участке круглой прямой
трубы, имеющей острую входную
кромку с углом 90º. В програм-
не ANSYS-FLUENT разработана
численная (CFD-) модель, позво-
ляющая проводить расчеты тепло-
гидродинамических параметров по-
тока при отрывном течении в диа-
пазоне чисел Рейнольдса от 28·103
до 110·103. Верификация исполь-
зуемых численных моделей осу-
ществлялась по данным экспери-
ментальных измерений простран-
ственного поля статических давле-
ний и локального теплообмена в на-
чальном участке круглой трубы.
Research of area of tearing away of
current of air is conducted in the initial
area of round direct pipe, having a sharp
entrance edge with a corner 90º. With
ANSYS-FLUENT software a numeral
(CFD-) model, allowing to conduct the
calculations of heat and hydrodynamics
parameters of stream at a that can be
torn off flow in the range of numbers
of Reynol'dsa from 28·103 to 110·103,
is developed. Verifikaciya of in-use
numeral models was carried out from
data of the experimental measuring of
the spatial field of static pressures and
local heat exchange in an initial area
round pipe.
b – расстояние от рассматриваемого сечения к
входу в трубу, м;
d – внутренний диаметр трубы, м;
L – длина рабочего участка трубы, м;
Р – давление, Па;
r – радиус, м;
T – температура, К, ºС;
w – скорость воздушного потока;
α – коэффициент теплоотдачи;
ρ – плотность, кг/м3;
ζм, ξтр, – коэффициенты потерь давления.
Безразмерные комплексы:
Nu dα ⋅
=
λ
– число Нуссельта;
cpRed
w d⋅
=
ν
– число Рейнольдса.
Индексы:
атм – атмосфера;
вх – вход;
м – местный;
ср – среднерасходный;
тр – трение;
w – стенка.
Введение
Интенсификация процессов теплообмена
и повышение энергетической эффективности
являются главными факторами при усовершен-
ствовании и разработке аппаратов конвектив-
ного теплообмена. Одним из эффективных ме-
тодов интенсификации теплообмена в газовых
или газо-жидкостных теплообменниках есть
применение в качестве их конструктивных эле-
ментов коротких каналов, труб, что приводит
к повышению компактности и существенному
снижению металлоемкости теплообменников.
В коротком канале (трубе) с отношением дли-
ны к внутреннему диаметру x/d < 15 интенсив-
ность теплоотдачи по сравнению со стабили-
зированной областью течения возрастает в 2…
2,5 раза.
Целесообразность использования коротких
каналов связана еще и с тем, что в них можно
достаточно легко влиять на интенсификацию
теплообмена путем изменения формы входа в
канал, который, как правило, способствует воз-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №4 33
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
никновению отрывного течения и вихревых
структур в начальном участке. Для расчета теп-
логидродинамического состояния короткого
канала существуют традиционные методики,
которые основываются на задании граничных
условий третьего рода на поверхностях тепло-
обмена стенок канала и однородных или раз-
витых профилей скорости, температуры на
входе в канал [1-3]. При таком подходе канал
разбивают на характерные области в зависи-
мости от режима течения, в пределах которых
для усредненных теплофизических параме-
тров, коэффициентов теплоотдачи и сопротив-
лений рассчитываются средние температуры
поверхности канала. Однако, отмеченные ме-
тодики не учитывают влияние формы входной
кромки, порождающей, обычно, отрыв потока,
который сопровождается внезапным его суже-
нием и возникновением утолщенной вихревой
области течения около стенки, что влияет на
величины и немонотонный характер распреде-
лений коэффициентов теплоотдачи и давления
по длине начального участка. Таким образом,
существующие известные методики, из-за при-
нятия упрощенных, в частности безотрывных
условий течения, не позволяют определить с
достаточной точностью локальные перегре-
вы при отрыве, а, следовательно, термические
напряжения и деформацию стенок канала. Их
неучет приводит к получению неправильных
расчетно-конструктивных решений.
В последние годы интенсивно развива-
ются так называемые CFD (Computation Fluid
Dynamics) – методы вычислительной гидроди-
намики, которые основываются на компьютер-
ных технологиях, новейших математических
моделях процессов переноса, эффективных
и достаточно точных численных алгоритмах
[4, 5]. Поэтому, целью данной работы является
изучение закономерностей течения и теплооб-
мена в начальном участке трубы с острой пе-
редней кромкой при относительной ее кривизне
R/d = 0 с помощью разработанной в программе
ANSYS-FLUENT численной CFD- модели в ди-
апазоне чисел Рейнольдса Red = (110…28)·103.
Для верификации и идентификации парамет-
ров численной модели использовались экспе-
риментальные данные теплообмена и течения
во входном участке круглой трубы [7-10].
Исследования направлены на изучение ме-
ханизма отрыва в условиях сложного внутрен-
него течения с помощью CFD-методов. При-
менение этих методов нуждается в подготовке
корректной CFD-модели, которая должна ото-
бражать сущность исследования отрывного
процесса в начальном участке круглой трубы.
Разработка численной CFD-модели включает
в себя процесс компьютерной интерпретации
таких ее составляющих, как геометрические,
граничные условия и физические свойства ис-
следуемого объекта. Процедура моделирования
предусматривает дискретизацию исследуемой
геометрии с помощью расчетных сеток, позво-
ляющих представить физико-математическое
описание начального участка, которое базиру-
ется на численном решении осредненных по
Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, замкну-
тых с помощью дополнительных дифференци-
альных уравнений и эмпирических соотноше-
ний [6].
Экспериментальные исследования. Ра-
бочий участок экспериментальной установки
(рис. 1) представляет собой цилиндрическую
трубу с внутренним диаметром d = 36 мм, на
входе в которую заподлицо с кромкой трубы
установлен торцевой фланец внешним диаме-
тром 175 мм (5d) [7-10]. Ввиду симметрично-
сти задачи расчеты выполнялись в двухмерной
нестационарной осесимметричной постановке,
т.е. для случая азимутальной симметрии. Рас-
сматривалось неизотермическое течение сухо-
го воздуха, теплофизические свойства которого
задавались в виде полиномиальных функций
температуры и вычислялись по данным [11].
Основные геометрические размеры мо-
делируемого участка также представлены на
рис. 1.
С целью максимального приближения к
гидродинамическим условиям, созданным в
физическом эксперименте, в вычислитель-
ном эксперименте проведено моделирование
движения воздуха под действием разрежения,
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №434
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
возникающего в проточной части трубы в ре-
зультате всасывания центробежным вентиля-
тором воздуха из лабораторного помещения,
что более подробно описано в [7]. Принято, что
перед входом в трубу расположен объем воз-
душного пространства цилиндрической фор-
мы, начало которого расположено на расстоя-
нии b = 2·5d от плоскости торцевого фланца и
сечения всасывающего отверстия с начальной
координатой х = 0 (рис. 1). Условия однознач-
ности моделируемого процесса соответствова-
ли условиям проведения экспериментов [7-10].
В начальном сечении воздушного объема зада-
валось входное давление, равное атмосферно-
му Ратм, средняя температура потока воздуха
на входе составляла Т∞ = 291…298 К. Степень
турбулентности перед входом в трубу прини-
малась 0,3 %. Температура теплоотдающей по-
верхности во входном участке трубы состав-
ляла Тw = 363…372 К. На выходе из рабочего
участка трубы задавалось давление разреже-
ния, вычисляемое по уравнению Бернулли [12]:
2 2 2
вых атм м тр2 2 2
w w L wP P
d
ρ ρ ρ
= − + ζ ⋅ + ξ ⋅
. (1)
Коэффициент сопротивления трения в тру-
бе определялся по известной эмпирической за-
висимости Никурадзе [12]:
тр 0,237
0,0210,032
Red
ξ = + , (2)
а коэффициент местного сопротивления
для острого входа с внезапным сужением ζм
Рис. 1. Схема входного участка с острой кромкой.
принимался равным 0,45 [3].
Для дискретизации расчетной области чис-
ленной модели применена неравномерная де-
картова сетка, выбор которой связан с уменьше-
нием объема памяти в 2…3 раза по сравнению,
например, с треугольной [13]. Ячейки расчет-
ной сетки сгущаются в области пограничного
слоя, который в данной постановке развивается
на стенках проточной части трубы и торцевого
фланца. Схема разбиения области решения для
пограничного слоя содержит у стенки 18 яче-
ек, что достаточно для того, чтобы как можно
точнее описать распределение скорости и дру-
гих гидродинамических параметров в середине
этого слоя [13]. Общее количество ячеек сетки
в расчетной области составило 271498.
Результаты исследования распределения
статических давлений, вычисленных с помо-
щью CFD-модели, обрабатывались в виде без-
размерных коэффициентов давления. На оси
трубы коэффициент давления определялся с
помощью зависимости:
( )ст атм
2
ср
2 i
p
P P
C
w
−
=
ρ
, (3)
где Ратм – атмосферное давление.
Для вычисления коэффициентов распреде-
ления статических давлений в поперечном на-
правлении при фиксированных продольных ко-
ординатах x/L использовалась формула:
( )
2
ср
2 ri w
p
P P
C
w
−
=
ρ
, (4)
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №4 35
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
где Pw – статическое давление на стенке трубы;
Pr – статическое давление в поперечном (ради-
альном) направлении трубы.
Расчет локальных коэффициентов теплоот-
дачи α проводился на основе численного реше-
ния разработанной CFD-модели в сопряженной
постановке и зависел в первую очередь от вы-
бора модели турбулентности и/или плотности
расчетной сетки [13]. Важным шагом при под-
готовке CFD-модели является выбор модели
турбулентности. С этой целью в используемой
программе ANSYS-FLUENT были выбраны
следующие три модели, которые широко при-
меняются для прогнозирования характеристик
отрывных течений и теплообмена в научно-тех-
нических расчетах: стандартная высоко-рей-
нольдсовая k-ε модель (k-ε Standard); realizable
k-ε модель и k-ω модель переноса сдвиговых
напряжений (SST) Ментера. Подбор (иденти-
фикация) лучшей модели турбулентности про-
водилась при неизменных геометрических ха-
рактеристиках, плотности расчетной сетки и
числе Рейнольдса (Red = 110·103).
В качестве критерия, по которому оценива-
лась адекватность модели турбулентности было
выбрано распределение коэффициента стати-
ческого давления на оси начального участка
трубы. Как видно из рис. 2, данные, вычислен-
ные с помощью k-ω SST модели, больше всего
коррелируют с результатами эксперименталь-
ных исследований давлений [9], – максималь-
ный разброс между результатами составляет
5 %. Другие модели турбулентности показали
существенно больший разброс и были исклю-
чены из дальнейшего анализа. Таким образом,
исследование отрывного течения в начальном
участке трубы при изотермических условиях в
диапазоне Red = (110…28)·103 осуществлялось
с помощью k-ω SST модели турбулентности
Ментера.
Рис. 2. Зависимость расчетных (сплошные кривые) и экспериментальных
статических давлений вдоль оси начального участка трубы для Red = 110·10 3
при изменении моделей турбулентности: 1 – Standard k-ε модель;
2 – Realizable k-ω модель; 3 – k-ω SST модель Ментера.
Результаты расчетного исследования
полей статических давлений
Результаты численного моделирования сви-
детельствуют о том, что на оси трубы (рис. 3)
кривые типа Cp = f(x/d; Red) имеют явно вы-
раженные минимумы в зоне x/d ≈ 0,45…0,52,
вызванные поджатием невязкого потока во
входном участке, после чего наступает расши-
рение потока и происходит постепенное вос-
становление статического давления вплоть до
координаты x/d = 1,5…2.
На рис. 3 представлены результаты верифи-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №436
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
кации модели по экспериментальным данным
продольных распределений давлений на стенке
начального участка [9]. Из рисунка видно, что
максиальное отклонение расчетных данных от
экспериментальных наблюдается в областях
минимумов давления. Так, для Red = 110·103
относительная погрешность находится в диа-
пазоне от 0,5 до 5 %, а для Red = 28·103 – в диа-
пазоне от 14,2 до 22,6 %. Такие отклонения для
малых чисел Red вероятно связаны с тем, что
использованная в расчетах модель турбулент-
ности Ментера, недостаточно точно прогнози-
рует низкорейнольдсовые эффекты.
Приведенные зависимости для оси трубы
(рис. 3) расслаиваются по числу Рейнольдса и
Рис. 3. Зависимость расчетных (сплошные кривые) и экспериментальных (точки)
статических давлений вдоль осевой линии начального участка трубы:
1 – Red = 110·10 3; 2 – Red = 77·10 3; 3 – Red = 42·10 3; 4 – Red = 28·10 3.
имеют достаточно продолжительные области с
минимальным уровнем статического давления,
которые расположены в пределах относитель-
ных координат x/d ≈ 0,1…0,35, причем по аб-
солютным значениям коэффициенты Cp в этих
областях на 25…30 % ниже, чем на оси трубы,
а восстановление давления здесь происходит
значительно интенсивнее, чем в ядре потока.
Результаты расчетов и измерений поля статиче-
ских давлений в радиальном направлении для
пяти поперечных сечений начального участка
показаны на рис. 4. В исследованном интервале
чисел Рейнольдса графики отличаются значи-
тельной неравномерностью, особенно на от-
резке длины начального участка x/d ≤ 0,85. Экс-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №4 37
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
периментальные распределения вблизи стенки
имеют ярко выраженный минимум, смещаю-
щийся с ростом x/d к оси трубы. Как показано
в [3, 14] минимум давления есть естественным
следствием местного и достаточно резкого по-
вышения скорости, возникающего в результате
действия центробежных сил на поток, огибаю-
щего вихрь в отрывной области, которые урав-
новешиваются поперечными градиентами дав-
ления, направленными от оси к стенке трубы.
Анализ рис. 4 свидетельствует о том, что
численные и экспериментальные данные со-
гласуются с отклонением при Red = 110·103 не
превышающим 5 %, а для Red = 77·103 – 7 %.
Характер радиальных распределений указы-
вает на наличие положительных градиентов
давлений, что является одним из признаков су-
ществования отрывного течения. Минимумы
давлений исчезают и кривые распределений
сглаживаются, когда приведенная длина дости-
гает x/d ≈ 2,5 [9]. Однако, анализ рис. 5 пока-
зывает, что модель не фиксирует экстремумов
вблизи стенки, а распределение давлений на
отрезке 0 ≤ r/d ≤ 0,4 для рассматриваемых сече-
ний остается равномерным.
Рис. 4. Зависимость расчетных (сплошные кривые) и экспериментальных (точки) [9]
статических давлений на стенке начального участка :
1 – Red = 110·10 3; 2 – Red = 77·10 3; 3 – Red = 42·10 3; 4 – Red = 28·10 3.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №438
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Картина течения и профили скоростей
в отрывной области
На рис. 6, а, б представлены картины тече-
ния (поля и изолинии скоростей) за острой
передней кромкой в отрывной области соответ-
ственно для чисел Red = 110·103 и Red = 28·103.
На рисунках можно выделить область цирку-
ляционного обратного течения, образовавшу-
юся в результате отрыва вязкого слоя с острой
входной кромки, который по мере продвиже-
ния вниз по потоку постепенно искривляется
в направлении к стенке трубы и затем присо-
единяется к ней. Часть присоединившегося к
стенке слоя движется в обратном направлении
навстречу основному потоку и под действием
положительного градиента давления (рис. 4)
поступает в замкнутую циркуляционную об-
ласть (отрывной пузырь). Другая часть обра-
зует новый пограничный слой, развивающийся
вниз по потоку от места присоединения. Пред-
ставленные схемы течений свидетельствуют
о том, что длина отрывной области, совпада-
ющая с координатой присоединения при ро-
сте числа Рейнольдса уменьшается. Так, при
Red = 110·103 – x/d ≈ 0,75, а при Red = 28·103 –
Рис. 5. Зависимость и радиальных экспериментальных (точки) [9] и рассчитанных
(сплошные кривые) статических давлений: 1 – Red = 110·103; 2 – Red = 77·103.
x/d ≈ 1, что противоречит экспериментальным
данным [14, 15]. Модель не обнаружила, на-
блюдаемого в экспериментах [7, 8] низкоско-
ростного осесимметричного вихря протяжен-
ностью x/d ≈ 0,17…0,19, примыкающего к ос-
трой входной кромке и соответствующего ми-
нимуму давления на стенке (рис. 4).
Область потенциального течения размеще-
на около оси трубы и характеризуется постепен-
ным нарастанием средней скорости в ядре по-
тока. Максимальная скорость соответствует
самому узкому поперечному сечению пото-
ка, координата которого равняется ~ 0,4d и не
зависит от числа Рейнольдса, этот факт согла-
суется с опытными данными [3, 9].Область,
которая находится перед фланцем и всасываю-
щим отверстием трубы, представляет собой
часть объема атмосферного воздуха, окружаю-
щего всасывающее отверстие (рис. 1). В нем
создаются условия для зарождения движения
воздушной массы из атмосферы через всасы-
вающее отверстие в направлении исследуемого
начального участка трубы.
Следовательно, анализ полей (рис. 5) по-
казывает, что в начальном участке с отрывной
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №4 39
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
областью течения имеют место сложные ги-
дродинамические явления, вызывающие суще-
ственную неравномерность профилей скорости
и давления.
Результаты исследования теплообмена
Результаты исследования теплообмена ба-
зируются на данных распределения температур
в радиальном направлении для ряда попереч-
ных сечений начального участка и продольных
распределений коэффициентов теплоотдачи
(рис. 7). На рисунке представлены продольные
распределения экспериментальных [10] и рас-
четных коэффициентов теплоотдачи в интерва-
ле x/d = 0…8. Анализ данных рис. 7 свидетель-
ствует, что кривые зависимостей α = f(x/d) при
Red = (110…28)·103 имеют минимум вблизи
входной кромки и два максимума и минимум
ниже по потоку. Стабилизация коэффициентов
теплообмена наступает в области х/d > 7,5, где
их значения с отклонением 5 % отвечают из-
вестной формуле для турбулентного режима
б)
Рис. 6. Поля и изолинии скоростей в начальном участке при Red = 110·10 3 (а)
и Red = 77·10 3 (б).
а)
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №440
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
течения [11]. Для числа Red = 28·103 второго
максимума на кривой распределения не наблю-
дается, что можно отнести к недостаткам ис-
пользуемой модели турбулентности, которая
при низкорейнольдсовых течениях достаточно
плохо коррелирует с экспериментальными дан-
ными.
В исследуемых пределах Red экстремумы
малоподвижны, так, первые минимумы лежат
в сечении x/d ≈ 0,22 вблизи острой кромки. Во
вторых минимумах ниже по потоку локальные
значения α остаются на ~ 67 % выше, чем при
стабилизированном турбулентном течении.
Резкий подъем интенсивности теплообмена,
соответствующий наибольшему значению на
отрезке 0,6…0,8d связан с присоединением по-
тока к стенке и началом развития нового погра-
ничного слоя. Меньшие максимумы на графике
являются следствием завершения переходного
процесса в ламинарном пограничном слое, их
координата для данного диапазона чисел Red
практически одинакова и составляет x/d ≈ 1,5.
Анализ показывает, что отрыв потока с острой
входной кромки не приводит к быстрому
образованию в начальном участке турбулент-
ного пограничного слоя, что, по-видимому, свя-
зано со специфическими гидродинамическими
условиями продольного обтекания отрывного
пузыря с выпуклой кривизной, которые спо-
собствуют лишь затягиванию ламинарно-
турбулентного перехода.
Исследованные отклонения профилей ско-
рости от закона стенки указывают на нетур-
булентный характер течения в пограничном
слое отрывной области. По мере продвиже-
ния вниз по потоку расчетные профили при-
ближаются к профилю турбулентного погра-
ничного слоя. Полученные результаты качес-
твенно согласуются с данными при отрывном
обтекании пластины [18, 19]. Анализ пред-
ставленных результатов свидетельствует так-
же о том, что результаты численного модели-
рования максимально согласуются с резуль-
татами эксперимента [10] в области стабили-
зированного течения х/d > 2,5. При х/d ≤ 2,5
отклонения данных численного моделирова-
ния от экспериментальных изменяются в диа-
пазоне от 1,5 до 8,4 % и с уменьшением числа
Рейнольдса.
Рис. 7. Сравнение экспериментальных (точки) и расчетных (сплошные кривые)
локальных коэффициентов теплоотдачи вдоль начального участка:
1 – Red = 110·10 3; 2 – Red = 77·10 3; 3 – Red = 42·10 3; 4 – Red = 28·10 3.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №4 41
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Выводы
1. Разработана CFD-модель теплового сос-
тояния начального участка круглой трубы с
острой входной кромкой, позволившая полу-
чить детальные поля давлений, скоростей, ко-
эффициентов теплоотдачи в отрывной области
течения;
2. Проведенная верификация модели пока-
зала, что отличие величин полученных экспери-
ментальным путем и с помощью CFD-модели
не превышает для коэффициентов теплоотдачи
8,4 %, а для коэффициентов давления – 18,3 %;
3. Анализ теплообмена и гидродинамики
в начальном участке с помощью CFD-модели
показал существование основных структурных
составляющих и закономерностей течения в от-
рывной области, в ядре потока, области перед
входом в трубу;
4. Полученные результаты могут быть ис-
пользованы при исследовании каналов более
сложной геометрической формы, в которых
возникают отрывные течения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в
теплообменниках. – М.: «Наука», 1982. – 471 с.
2. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А.
Теплообмен в ядерных энергетических уста-
новках: учебное пособие для вузов / под ред.
Б.С. Петухова. – М.: Энергоатомиздат, 1986. –
472 с.
3. Идельчик И.Е. Справочник по гидравли-
ческим сопротивлениям. – М-Л.: Госэнергоиз-
дат, 1960. – 466 с.
4. Круковский П.Г., Юрченко Д.Д. Сопря-
женные задачи теплообмена (методы решения,
проблемы, примеры) // IV Международная кон-
ференция «Проблемы промышленной тепло-
техники». Тезисы докладов. – К.: ИТТФ НАН
Украины, 26-30 сентября 2005. – С. 369.
5. Юрченко Д.Д., Круковский П.Г., Полубин-
ский А.С. и др. Тепловое состояние охлаждае-
мой лопатки ГТД в сопряженной постановке //
IV Международная конференция «Проблемы
промышленной теплотехники». Тезисы докла-
дов. – К.: ИТТФ НАН Украины, 26-30 сентября
2005. – С. 369.
6. Белов И.А., Исаев С.А. Моделирование
турбулентных течений. Учебное пособие. –
Санкт-Петербург: БГТУ, 2001. – 109 с.
7. Легкий В.М., Рогачев В.А. Течение в на-
чальном участке трубы с острой входной кром-
кой. Физическая модель течения // Инж.-физ.
Журн. – 1989. – Т. 56. – № 2. – С. 215-220.
8. Легкий В.М., Рогачев В.А. Течение в на-
чальном участке трубы с острой входной кром-
кой. Сравнительный анализ // Инж.-физ. Журн.
– 1989. – Т. 56. – № 4. – С. 547-550.
9. Легкий В.М., Рогачев В.А. Структура
поля статических давлений в начальном участ-
ке трубы с острой входной кромкой // Инж.-
физ. Журн. – 1991. – Т. 61. – № 5. – С. 709-714.
10. Легкий В.М., Рогачев В.А. Локальный
теплообмен в начальном участке трубы с
острой входной кромкой. Природа и поведе-
ние экстремумов интенсивности теплообме-
на // Инж.-физ. журн. – 1993. – Т. 65. – № 2. –
С. 131-137.
11. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел
А.С. Теплопередача. – М.: Энергоиздат, 1975. –
488 с.
12. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М.
Справочник по теплопередаче. – Л-М.: Государ-
ственное энергетическое издательство, 1958. –
416 с.
13. Юрченко Д.Д. Розробка, верифікація та
аналіз тривимірної CFD – моделі теплового
стану охолоджуваної лопатки ГТД у спряженій
постановці: Автореф. дис. ... канд.. техн.. наук.
– К.: 2007. – 24 с.
14. Рогачов В.А. Теплообмін на вхідній
ділянці труби при течії з відривом: Автореф.
дис. ... канд.. техн.. наук. – К.: 1993. – 16 с.
15. Ито Н., Ватанабе И., Исимару Н. и др.
Исследование характеристик двух расходо-
мерных сопел, установленных на входе трубы
// Труды американского общества инженеров-
механиков «Теоретические основы инженер-
ных расчетов» – 1981. – Т. 103. – № 1. – С. 119-
126.
16. Бромлей М.Ф. Структура воздушно-
го потока в зоне действия всасывающих
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №442
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
отверстий // Отопление и вентиляция. – 1934. –
№ 2. – С. 2-8.
17. Vrentas J.S., Duba J.L. Flow of Newtonian
fluid through sudden contraction // Appl. Sci. Res.
– 1934. – V. 28 – № 4. – P. 221-260.
18. Ота, Кон. Теплообмен в областях от-
рыва и последующего присоединения течения
при обтекании плоской пластины с затуплен-
ной передней кромкой //Теплопередача. – 1974.
– № 4 – С. 29-32.
19. Ота, Итасака. Отрыв и присоединение
потока на плоской пластине с затупленной пе-
редней кромкой //Теор. Основы инж. расчетов.
– 1976. – № 2 – С. 321-327.
Получено 02.03.2011 г.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-60347 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-28T16:57:17Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Рогачев, В.А. Баранюк, А.В. Круковский, П.Г. 2014-04-14T16:32:32Z 2014-04-14T16:32:32Z 2011 Разработка и верификация CFD-модели теплообмена для входного участка трубы при отрывном течении / В.А. Рогачев, А.В. Баранюк, П.Г. Круковский // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 4— С. 32-42. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60347 536.242:532.242 Проведено исследование области отрыва воздушного потока в начальном участке круглой прямой трубы, имеющей острую входную кромку с углом 90º. В программе ANSYS-FLUENT разработана численная (CFD-) модель, позволяющая проводить расчеты теплогидродинамических параметров потока при отрывном течении в диапазоне чисел Рейнольдса от 28·10³ до 110·10³. Верификация используемых численных моделей осуществлялась по данным экспериментальных измерений пространственного поля статических давлений и локального теплообмена в начальном участке круглой трубы. Проведено дослідження області відриву повітряного потоку в початковій ділянці круглої прямої труби, що має гостру вхідну кромку з кутом 90º. В програмі ANSYS-FLUENT розроблена числова (CFD-) модель, що дозволяє проводити розрахунки теплогідродинамічних параметрів потоку при відривній течії в діапазоні чисел Рейнольдса від 28·10³ до 110·10³. Верифікація числових моделей здійснювалася за даними експериментальних вимірювань просторового поля статичного тиску і локального теплообміну в початковій ділянці круглої труби. Research of area of tearing away of current of air is conducted in the initial area of round direct pipe, having a sharp entrance edge with a corner 90º. With ANSYS-FLUENT software a numeral (CFD-) model, allowing to conduct the calculations of heat and hydrodynamics parameters of stream at a that can be torn off flow in the range of numbers of Reynol'dsa from 28·10³ to 110·10³, is developed. Verifikaciya of in-use numeral models was carried out from data of the experimental measuring of the spatial field of static pressures and local heat exchange in an initial area ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные процессы Разработка и верификация CFD-модели теплообмена для входного участка трубы при отрывном течении Development and verification of CFD-model of heat exchange for entrance area of pipe at that separated flow Article published earlier |
| spellingShingle | Разработка и верификация CFD-модели теплообмена для входного участка трубы при отрывном течении Рогачев, В.А. Баранюк, А.В. Круковский, П.Г. Тепло- и массообменные процессы |
| title | Разработка и верификация CFD-модели теплообмена для входного участка трубы при отрывном течении |
| title_alt | Development and verification of CFD-model of heat exchange for entrance area of pipe at that separated flow |
| title_full | Разработка и верификация CFD-модели теплообмена для входного участка трубы при отрывном течении |
| title_fullStr | Разработка и верификация CFD-модели теплообмена для входного участка трубы при отрывном течении |
| title_full_unstemmed | Разработка и верификация CFD-модели теплообмена для входного участка трубы при отрывном течении |
| title_short | Разработка и верификация CFD-модели теплообмена для входного участка трубы при отрывном течении |
| title_sort | разработка и верификация cfd-модели теплообмена для входного участка трубы при отрывном течении |
| topic | Тепло- и массообменные процессы |
| topic_facet | Тепло- и массообменные процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60347 |
| work_keys_str_mv | AT rogačevva razrabotkaiverifikaciâcfdmodeliteploobmenadlâvhodnogoučastkatrubypriotryvnomtečenii AT baranûkav razrabotkaiverifikaciâcfdmodeliteploobmenadlâvhodnogoučastkatrubypriotryvnomtečenii AT krukovskiipg razrabotkaiverifikaciâcfdmodeliteploobmenadlâvhodnogoučastkatrubypriotryvnomtečenii AT rogačevva developmentandverificationofcfdmodelofheatexchangeforentranceareaofpipeatthatseparatedflow AT baranûkav developmentandverificationofcfdmodelofheatexchangeforentranceareaofpipeatthatseparatedflow AT krukovskiipg developmentandverificationofcfdmodelofheatexchangeforentranceareaofpipeatthatseparatedflow |