Исследование особенностей теплообмена и гидродинамики в пористой среде на примере кубической упаковки шаров


Авторы

Королева А. П.1*, Французов М. С.1**, Антаненкова И. С.2***

1. Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, ЦИАМ, Авиамоторная ул., 2, Москва, 111116, Россия
2. Московский энергетический институт (национальный исследовательский университет), ул. Красноказарменная,14, Москва, 111250, Россия

*e-mail: anastykoroleva@mail.ru
**e-mail: mfrancuzov@yandex.ru,
***e-mail: antanenkovais@mail.ru

Аннотация

Теплообменные аппараты с шаровой засыпкой широко распространены в различных областях техники. Эффективность такого теплообменного аппарата определяется характеристиками пористой среды и параметрами теплоносителя, поэтому корректное описание термогидро-динамических процессов в ней является важной задачей. В предлагаемой модели пористая среда представлена в виде слоев стальных шаров кубической упаковки. Характеристики процессов гидродинамики и теплообмена в ней определяются с учетом зависимости от температуры теплофизических свойств газа, движущегося через пористую среду. В результате моделирования получены стационарные картины распределения температур шаровой засыпки и газа, а также продольной составляющей скорости потока в поровом пространстве. Разработанная модель позволяет получить достоверные результаты в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Проведено сопоставление полученных результатов с эмпирическими данными, что позволяет рекомендовать применение предлагаемой модели для определения интегральных характеристик теплообменного аппарата с шаровой засыпкой.

Ключевые слова:

пористая среда, шаровая засыпка, кубическая упаковка, тепловые и гидравлические характеристики, численное моделирование

Библиографический список

  1. Сморчкова Ю.В., Дедов А.В. Численное моделирование гидродинамики и теплообмена в шаровых засыпках // Современная наука. Исследования, идеи, результаты, технологии. 2013. № 1(12). С. 62–67.

  2. Клер А.М., Маринченко А.Ю., Потанина Ю.М. Разработка математической модели системы высокотемпературных керамических теплообменников периодического действия // Известия ТПУ. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329. № 3. С. 26–35.

  3. Пелевин Ф.В., Пономорев А.В., Семенов П.Ю. К вопросу о применении пористых металлов в регенеративной системе охлаждения жидкостных ракетных двигателей // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2014. № 5. С. 10–19.

  4. Александров В.Ю., Силуянова М.В., Французов М.С., Королёва А.П. Исследование процессов нагрева и охлаждения подогревателя прерывного действия с шаровой засыпкой для авиадвигателей // Авиационная промышленность. 2018. № 1. C. 14–20.

  5. Мосина Е.В. Численное исследование течения на границе жидкость—пористая среда // Теоретические основы химической технологии. 2010. Т. 44. № 5. С. 536–542.

  6. Сорокин В.В. Гидравлика и теплообмен шаровых засыпок в условиях активной зоны водо-водяных ядерных реакторов с микротвэлами. Минск: Беларус. навука, 2010. 191 с.

  7. Лозовецкий В.В., Пелевин Ф.В., Пономорев А.В. Сопротивление и теплообмен в шаровых засыпках при движении одно- и двухфазных сред и кипении // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2006. № 7. С. 32–41.

  8. Богоявленский Р.Г. Гидродинамика и теплообмен в высокотемпературных ядерных реакторах с шаровыми твэлами. М.: Атомиздат, 1978. 112 с. (Техника ядерных реакторов № 4).

  9. Сморчкова Ю.В., Авдонина Е.А., Дедов А.В. Исследование теплогидравлических и нейтронно-физических характеристик перспективных тепловыделяющих сборок для реакторных установок малой мощности // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2018. Т. 20. № 7–8. C. 23–34.

  10. Гарипов А.А., Константинов С.Ю., Тук Д.Е., Целищев Д.В. Численное моделирование течения в фильтре // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2013. Т. 17. № 3. С. 153–158.

  11. Ruiz G., Ripoll N., Zbogar-Rasic A., Jovicic V., Delgado A., Toledo M. Experimental and numerical analysis of the heat transfer in packed bed exposed to the high thermal radiation flux // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. V. 136. P. 383–392.

  12. Wu H., Gui N., Yang X., Tu J., Jiang S. Numerical simulation of heat transfer in packed pebble beds: CFD-DEM coupled with particle thermal radiation // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. V. 110. P. 393–405.

  13. Cascetta M., Cau G., Puddu P., Serra F. A comparison between CFD simulation and experimental investigation of a packed-bed thermal energy storage system // Applied Thermal Engineering. 2016. V. 98. P. 1263–1272.

  14. Wu M., Li M., Xu C., He Y., Tao W. The impact of concrete structure on the thermal performance of the dual-media thermocline thermal storage tank using concrete as the solid medium // Appl. Energy. 2014. V. 113. P. 1363–1371. 

  15. Ansys 19.0 Documentation. Houston: Swanson Analysis Systems, Inc. 2005.

  16. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. М.: Химия, 1968. 512 с.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024