Численное исследование безмашинного энергоразделения воздушного потока


Авторы

Хазов Д. Е.

Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова , Мичуринский пр., 1, Москва, 119192

e-mail: dkhazov@mail.ru

Аннотация

Рассматриваются одно- и двумерные математические модели устройства, реализующего безмашинное энергоразделение воздушного потока. Устройство представляет собой теплообменный аппарат типа «труба в трубе», в котором по внутреннему цилиндрическому каналу поток движется со сверхзвуковой скоростью, а по внешнему кольцевому — с дозвуковой. Без использования каких-либо движущихся частей, приводимых в движение газом, т.е. без совершения газом технической работы и без теплообмена с окружающей средой, в устройстве происходит энергоразделение потока на «холодный» (полная среднемассовая температура меньше начальной) и «горячий» (полная среднемассовая температура больше начальной).

Одномерная модель строится на основе метода Шапиро-Хоторна с соответствующими замыкающими соотношениями для законов трения и теплоотдачи. Двумерная модель основана на уравнениях Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу с привлечением дополнительных уравнений модели турбулентности.

В качестве количественной меры энергоразделения (температурного разделения) газового потока принимается разность между полными среднемассовыми температурами газового потока на «горячем» и «холодном» выходах и на входе устройства.

Проведена валидация предложенных моделей в широком диапазоне изменения параметров. Путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных показано, что наиболее предпочтительной для моделирования подобного класса течений является стандартная κ-ω модель турбулентности с аналитической моделью Кейса-Кроуфорда для турбулентного числа Прандтля.

Исследовано влияние прямоточной и противоточной схем организации течения на величину энергоразделения. Показано, что схема организации течения становится существенной при малых значения массового расхода через дозвуковой канал.

На базе разработанных моделей определено влияние профиля сверхзвуковой части устройства на величину энергоразделения. Рассмотрены три профиля сверхзвукового канала: исходный канал с изменяющимся (возрастающим) числом Маха; канал с постоянным числом Маха, равным начальному числу Маха для исходного канала; канал с постоянным числом Маха, равным конечному числу Маха для исходного канала.

Ключевые слова

Энергоразделение, коэффициент восстановления температуры, сверхзвуковой поток, сжимаемый пограничный слой

Библиографический список

  1. Ranque G. J. Experiences sur la detente giratoire avec productions simultanees d’un echappementd’airchandet d’un echappemend’airfroid // J. Phys. Radium. 1933. N 4 (7). P. 112–114.

  2. Eckert E., Weise W. Measurement of temperature distribution on the surface of unheated bodies in hight velocity flow // Forschung auf demGebiete des Ingenieurwesens. 1942. Vol. 13. P. 246–254.

  3. Sprenger H. Über thermische effecte in resonanz rohren (German) // Mitt Inst. Aerodyn ETH. 1954. N 21. P. 18–35.

  4. Goldstein R.J., Behbahani A.I., Heppelman K.K. Stream-wise distribution of the recovery factor and the local heat transfer coefficient to an impinging circular air jet // Int. J. Heat Mass Transfer. 1986. P. 1227–1235.

  5. Eckert E.R.G. Cross transport of energy in fluid streams // Warme- und Stoffubertranung. 1987. N 21. P. 73–81.

  6. Леонтьев А.И. Газодинамические методы температурной стратификации (обзор) // Изв. РАН. МЖГ. 2002. № 4. С. 6–26.

  7. Бурцев С.А., Леонтьев А.И. Исследование влияния диссипативных эффектов на температурную стратификацию в потоках газа (обзор) // ТВТ. 2014. Т. 52. № 2. С. 310–322.

  8. Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Т.1: Физическое явление, эксперимент, теоретическое моделирование. М., 2013. 343 с.

  9. Eiamsa-ard S., Promvonge P. Review of Ranque—Hilsch effects in vortex tubes // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2008. N 12 (7). P. 1822–1842.

  10. Raman G., Srinivasan K. The powered resonance tube: Fr om Hartmann’s discovery to current active flow control applications // Progress in Aerospace Sciences. 2009. N 45. P. 97–123.

  11. Леонтьев А.И. Температурная стратификация сверхзвукового газового потока // Докл. РАН. 1997. Т. 354. № 4. С.475—477.

  12. Бурцев С.А. Методика расчета устройств газодинамической температурной стратификации при течении реального газа // Тепловые процессы в технике. 2013. № 9. С. 386–390.

  13. Makarov M.S., Makarova S.N., Shibaev A.A. The numerical study of energy separation in a two-cascade Leontiev tube // Journal of Physics: Conference Series. 2016. V. 754. 062010. doi:10.1088/1742-6596/754/6/062010.

  14. Здитовец А.Г., Титов А.А. Экспериментальное исследование газодинамического метода безмашинного энергоразделения воздушных потоков // Тепловые процессы в технике. 2013.Т. 5. № 9. С. 391–397.

  15. Vinogradov Y. A., Zditovets A. G., Strongin M. M. Experimental investigation of the temperature stratification of an air flow through a supersonic channel with a central body in the form of a porous permeable tube // Fluid Dynamics. 2013. Vol. 48. N 5. P. 687–696.

  16. Здитовец А. Г., Виноградов Ю. А., Стронгин. М. М. Экспериментальное исследование безмашинного энергоразделения воздушных потоков в трубе Леонтьева // Тепловые процессы в технике. 2015. Т. 7. № 9. С. 397–404.

  17. Леонтьев А. И., Здитовец А. Г., Виноградов Ю. А. и др. Безмашинное энергоразделение газовых потоков. М.: ООО Издательство КУРС, 2016. 112 с.

  18. Leontiev A.I., Zditovets A.G., Vinogradov Y.A., Strongin M.M., Kiselev N.A. Experimental investigation of the machine-free method of temperature separation of air flows based on the energy separation effect in a compressible boundary layer // Experimental Thermal and Fluid Science. 2017. Vol. 88. P. 202–219.

  19. Bell I.H., Wronski J., Quoilin S., et. al. Pure- and pseudo-pure fluid thermophysical property evaluation and the open-source thermophysical property library cool prop // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2014. 53(6). P. 2498–2508.

  20. Основы газовой динамики / Под ред. Г. Эммонса, пер. с англ., М.: Иностранная лит-ра, 1963. 704 с.

  21. VDI Heat Atlas, Gesellschaft, VDI, 2010, Springer: Berlin Heidelberg.

  22. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энергия, 1972. 342 с.

  23. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. 711 с.

  24. Теория тепломассообмена / Под ред. А. И. Леонтьева. М.: Высш. школа, 1979. 495 с.

  25. Kays W. M., Crawford M. E. Convective Heat and Mass Transfer. McGraw-Hill, 3rd Edition, 1993.

  26. Kays W.M. Turbulent Prandtl number — wh ere are we? // J. Heat Transfer. 1994. 116(2). P. 284–295.

  27. Макаров М. С. Исследование температурного разделения в потоках сжимаемого газа: Дис. ... канд. техн. наук. Новосибирск: Ин-т теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 2007. 154 с.

  28. Вигдорович И. И, Леонтьев А.И. Энергоразделение газов с малыми и большими числами Прандтля // Изв. РАН. МЖГ. 2013. № 6. С. 117–134.

  29. Wolfshtein M. The velocity and temperature distribution of one-dimensional flow with turbulence augmentation and pressure gradient // Int. J. Heat Mass Transfer. 1969. 12. P. 301–318.

  30. ANSYS® Fluent, Release 17.2, Help System, Theory Guide, ANSYS, Inc


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024