Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб

Рассматриваются задачи вихревой интенсификации теплообмена в приложении к элементам теплообменников. На основе решения с помощью разработанных многоблочных вычислительных технологий уравнений Навье-Стокса и Рейнольдса анализируются различные способы вихревой генерации, в том числе с использованием луночных рельефов. Значительное внимание уделяется сравнению полуэмпирических дифференциальных моделей турбулентности и обоснованию выбора модели переноса сдвиговых напряжений Ментера. На многочисленных тестах систематически сопоставляются пакеты VP2/3 и FLUENT. Решаются смежные задачи управления обтеканием тел с вихревыми ячейками и снижения лобового сопротивления объектов с нанесенным рельефом из упорядоченных лунок.
Для студентов и инженерно-технических работников, специализирующихся в области вихревой гидроаэромеханики, теплоэнергетики и теплофизики
Предисловие
Книга, которую Вы держите в руках, необычна по своему содержанию. С одной стороны, в ней анализируются перспективные способы вихревой интенсификации теплообмена в элементах теплообменников, в том числе, связанные с использованием актуальных луночных технологий, а, с другой стороны, представляются эффективные процедуры решения уравнений Навье-Сгокса и Рейнольдса, реализованные в пакетах прикладных программ, а также результаты их тестирования и применения.
Почти двадцать лет минуло с появления монографии одного из авторов "Теплопередача и сопротивление пакетов труб". В ней практически впервые был обобщен материал по численному моделированию ламинарных и турбулентных течений около изолированных и пакетных труб. Она также запомнилась многочисленным специалистам блестящим обзором моделей турбулентности, составленным проф.Беловым И А
Прошедший период был отмечен впечатляющим прогрессом в области компьютеров и развитием вычислительных технологий. Приняв компьютерный облик, электронно-вычислительные машины шагнули за пределы вычислительных центров коллективного пользования и стали частью домашнего обихода наряду с телефоном и телевизором. Их количество увеличилось на несколько порядков, а счет идет на миллионы. Расчетные процедуры, написанные на алгоритмических языках программирования типа ФОРТРАН и АЛГОЛ, трансформировались в коммерческие продукты - пакеты прикладных программ, как универсальные (FLUENT, CFX, StarCD), так и специализированные (VP2/3, SINF, FlowVision). Разработанные в объектно-ориентированных средах пакеты стали учебными, исследовательскими и эксплуатационными комплексами - своеобразными испытательными стендами, существенно сокращающими количество натурных экспериментов при разработке разнообразных практических устройств. Существенное изменение претерпел каталог современных моделей турбулентности, в который влились модели переноса турбулентной вязкости Спаларта-Аллмареса (1992) и переноса сдвиговых напряжений Ментера (1993) и четырехпараметрическая модель V2F Дурбина (1995).
Данную книгу в первом приближении можно рассматривать как ремейк указанной выше монографии. Во всяком случае, по многим сюжетным линиям она перекликается с ней. Роднит их общий подход к анализу турбулентных течений в рамках приближения Рейнольдса. Он, безусловно, остается преобладающим в практических расчетах, хотя и постепенно теснится моделями крупных (LES) и отсоединенных вихрей (DES). Представленный каталог распространенных моделей турбулентности, содержащихся практически во всех коммерческих пакетах, перекликается с обзором двадцатилетней давности. Тестирование расчетной методологии на таких популярных задачах, как циркуляционное течение в квадратной каверне с подвижной крышкой и нестационарное обтекание кругового цилиндра, продолжает обозначенную еще тогда линию на уточнение численных прогнозов и оценку приемлемости двумерных моделей. Теплообмен в пакетах поперечно обтекаемых фуговых труб рассматривается на основе модифицированных расчетных процедур коррекции градиента давления и среднемассовой температуры в рамках периодических граничных условий. При этом особое внимание уделяется оценке интенсификации теплообмена для пакетов различной геометрии и использованию низкорейнольдсовой модели переноса сдвиговых напряжений. Важно подчеркнуть, что в данной книге развиваются многоблочные вычислительные технологии (МВТ) на основе пересекающихся структурированных сеток. Если раньше такая методология применялась только к цилиндрическим сеткам, то здесь она используется для сочетания декартовых и цилиндрических сеток Их введение здесь нацеливается преимущественно на улавливание разномасштабных, структурных элементов течения, таких как пограничные и сдвиговые слои, вихревые структуры и отрывные зоны. Следует отметить, что разработка МВТ во многом связана с моделированием обтекания тел с вихревыми ячейками.
В отличие от прототипа данная книга содержит материал по обтеканию траншей и лунок в контексте интенсификации теплообмена, как на плоских поверхностях, так и около круглых труб. Развитые МВТ позволили рассмотреть двумерные и пространственные задачи теплообмена при поперечном обтекании труб с нанесенными траншеями и лунками, а также труб с ребрами. Кроме того, использование МВТ способствовало решению ряда практических задач вихревой интенсификации.
Конечно, наврядли эту книгу можно рассматривать как базу данных по характеристикам теплообмена облуненных и оребренных труб. Вычислительный эксперимент в ней в большей степени нацеливается на анализ физических механизмов вихревой интенсификации, а полученные результаты скорее дополняют имеющиеся экспериментальные данные, а не подменяют их. Тем не менее, представленные здесь многоблочные вычислительные технологии, реализованные в пакете VP2/3, результаты их верификации и численных исследований, имеют самостоятельное значение и могут быть интересными широкому кругу расчетчиков-прикладников, эксплуатантам коммерческих пакетов различных уровней.
Книга также интересна широким кругом технических проблем, в которых нашла отражение концепция управления вихревым обтеканием разнообразных тел. Это, прежде всего, продолжение решения задач аэромеханики летательных аппаратов интегральной компоновки с вихревыми ячейками, впервые поставленных на Саратовском авиационном заводе - составной части концерна ЭКИП. Несомненно, следует отметить проведенное в книге обоснование применения толстого профиля с вихревыми ячейками для новых типов ветрогенераторов с улучшенными характеристиками.
Другое многообещающее направление разработок, осуществляемых в Аккумуляторной компании "Ригель", связывается с конструированием омываемых поверхностей при нанесении на них рельефа из упорядоченных лунок с целью снижения лобового сопротивления объектов.
В целом, книгу можно рекомендовать в качестве руководства и учебного пособия для студентов и научно-технических работников гидромеханического и тепло-физического профиля

Оглавление
Предисловие
Введение
- Ретроспективный анализ численного моделирования теплообмена при ламинарном и турбулентном обтекании несжимаемой жидкостью тел с отрывом потока
- Проблемы теплообмена и аэродинамики пакетов поперечных труб
- Интенсификация тепломассообмена при самоорганизации вихревых структур при обтекании вогнутостей на плоской стенке
- Краткий обзор численных исследований по рассматриваемой тематике конца 70-х - начала 90-х гг. XX в
- Пакеты прикладных программ
Глава 1. Математические модели для описания турбулентных течений несжимаемой вязкой жидкости и конвективного теплообмена. Многоблочные вычислительные технологии (МВТ)
1.1. Запись исходных уравнений
1.2. Модели турбулентности для инженерных расчетов отрывных течений (обзор и краткий анализ)
1.3. Постановка сопряженных задач динамики твердого тела и гидродинамики окружающей среды
1.4. Граничные и начальные условия
1.5. Особенности разработанного неявного факторизованного алгоритма
1.6. Расчетные и связанные ячейки
1.7. Процедуры коррекции градиентов давления и среднемассовой температуры
Глава 2. Методические материалы по тестированию развитого многоблочного расчетного алгоритма и математических моделей
2.1. Верификация обобщенного расчетного алгоритма на задаче нестационарного обтекания профиля
2.2. Моделирование ламинарного циркуляционного течения в квадратной каверне с подвижной границей при высоких числах Рейнольдса
2.3. Численный анализ струйно-вихревой картины течения в прямоугольной траншее с подвижной крышкой
2.4. Верификация МВТ на основе сравнения результатов расчета при Re=40 начальной фазы нестационарного ламинарного обтекания кругового цилиндра сданными из атласа Ван-Дайка
2.5. Сравнительный анализ МВТ в VP2/3 и использования адаптивных сеток в FLUENT
на примере нестационарного ламинарного обтекания цилиндра на автоколебательном режиме
2.6. Верификация развитого многоблочного алгоритма при моделировании ламинарного режима движения несжимаемой вязкой жидкости и теплообмена в коридорном пакете круглых труб
2.7. Выбор приемлемой для инженерных расчетов модели турбулентности
2.7.1. Комплексный анализ алгоритмов, сеточных структур и моделей турбулентности при расчете циркуляционного течения в каверне с помощью пакетов VP2/3 и FLUENT
2.7.2. Сравнение различных пакетов (VP2/3 и FLUENT) и нашедших наибольшее применение
в инженерной практике полуэмпирических дифференциальных моделей турбулентности
(MSST и SA) на задаче нестационарного двумерного обтекания кругового цилиндра
2.7.3. Сопоставление расчетных и экспериментальных осредненных коэффициентов относительной теплоотдачи по контуру кругового цилиндра
2.7.4. Тестовые исследования турбулентного течения и теплообмена в коридорном пакете труб,
полученные на основе моделей MSST и SA
2.7.5. Сравнение результатов расчетов отрывного течения и теплообмена у стенки с траншеей
с использованием моделей SA и MSST и данных экспериментов, проведенных в МГТУ им.Н.Э.Баумана
2.7.6. Сопоставление результатов расчета обтекания мелкой лунки и данных экспериментов
ПИ. Кикнадзе и др. для мелкой лунки
2.8. Обоснование приемлемости ПГУ для расчета теплообмена удаленного цилиндра в трубном пакете
Глава 3. Обобщение материалов по численному моделированию теплообмена при поперечном обтекании одиночной трубы (кругового цилиндра) и пакета труб
3.1. Анализ конвективного теплообмена около кругового цилиндра
3.1.1. Ламинарный нестационарный теплообмен с температурной дорожкой за круговым цилиндром
3.1.2. Вихревая динамика и конвективный теплообмен при турбулентном нестационарном обтекании нагретого цилиндра в неограниченном потоке и в плоскопараллельном канале
3.2. Численный анализ теплообмена в пакете круговых цилиндров
3.2.1.Ламинарный режим обтекания
3.2.2. Турбулентный режим обтекания
Глава 4. Численное моделирование вихревого теплообмена при обтекании двумерных и пространственных вогнутостей на плоских стенках. Анализ механизма вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб с нанесенными траншеями, лунками и с ребрами
4.1. Влияние на вихревую интенсификацию теплообмена глубины сферической лунки
на стенке узкого канала
4.2. Анализ механизма и влияния относительной глубины траншеи на сопротивление
и интенсивность теплообмена
4.3. Сравнение сферической лунки и траншеи как элементов вихревой интенсификации теплообмена
4.4. Конструирование траншейных (асимметричных) лунок
4.5. Пакет лунок в узком плоскопараллельном канале
4.6. Вихревой теплообмен в коридорном пакете труб с упорядоченными траншеями в ламинарном
и турбулентном режимах течения
4.7. Численное моделирование теплообмена в коридорных пакетах оребренных труб
4.8. Расчет пакетов труб с нанесенными лунками
Глава 5. Использование МВТ для решения практических задач управления теплофизическими
характеристиками с помощью вихревых и струйных генераторов
5.1. Размешивание смеси жидкостей в цилиндрическом стакане за счет вращения
лопасти с постоянной угловой скоростью
5.2. Аэродинамическое проектирование анализаторов концентрации паров ртути
5.3. Обоснование аэродинамического проектирования тел, снабженных системой управления обтеканием на основе встроенных вихревых ячеек
5.3.1. Моделирование нестационарного турбулентного обтекания толстого профиля
с вихревыми ячейками при включении отсоса с поверхности центральных тел
5.3.2. Оценка влияния угла атаки на аэродинамические характеристики толстого профиля с ВЯ, а также его сравнение стойкими профилями
5.3.3. Обоснование нетрадиционной схемы ветрогенератора с вращающимися лопастями с поперечным сечением в форме толстого профиля с вихревыми ячейками
5.4. Анализ способа управления гидродинамическими и теплофизическими характеристиками в следе за телом за счет струйных генераторов на примере моделирования обтекания цилиндра с перфорированным кожухом
5.4.1. Базовая система уравнений, постановка задачи
5.4.2. Объект исследования
5.4.3. Влияние выдува на аэродинамические характеристики цилиндра
5.4.4. Выводы
5.5. Снижение лобового сопротивления рельефа с траншеями и лунками
5.6. Моделирование колебаний физического маятника в квадратной каверне, заполненной вязкой жидкостью
5.6.1. Расчетные сетки
5.6.2. Расчетные результаты
Заключение
Литература