Geum.ru

Численное моделирование и разработка комплекса программ исследования теплообмена и ламинарного течения в регулярных продольнооребренных коридорных структурах

Вид материалаАвтореферат
Основное содержание работы опубликовано в статьях
Подобный материал:
1   2   3

ВЫВОДЫ


В результате исследований, проведенных в нестоящей работе:

1. Разработанный вычислительный алгоритм и комплекс программ «Коридор», «Трубные пучки», «Корреляция Эйлер-Нуссельт»для исследования и расчета течения и теплообмена в регулярных коридорных структурах пучков труб, позволяет эффективно получать достоверную и надежную информацию по интегральным и локальным характеристикам течения и теплообмена во всем расчетном диапазоне изменения числа Рейнольдса

(Re = 40…500).

2. Расчеты обтекания продольно оребренных пучков в стационарной постановке при наличии стабилизирующей поток плоскости симметрии показали независимость результатов от степени измельчения расчетной полярной сетки.

3. Использование результатов течения и теплообмена в исследованных пучках позволило придти к методу «среднего» Фурье, позволяющем экономно и эффективно получать расчетную информацию и в других науках.

4. Исследование течения и теплообмена с помощью метода «среднего» Фурье в мембранных пучках труб показало хорошее согласование расчетных характеристик с соответствующими экспериментальными данными других авторов.

5. Сравнение результатов расчета по обтеканию и теплоотдачи продольно оребренных и гладкотрубных регулярных коридорных пучков в отсутствии условий симметрии говорит о реализации симметричной и асимметричной структуры течения при одном и том же числе Рейнольдса (симметричный характер является неустойчивым и нарушается введением в расчетные поля больших искусственно заданных возмущений, которые в практике всегда существуют).

6. Показано, что снятия условий симметрии течения теплообмена приводит к сближению расчетных и экспериментальных данных.

7. Выявлено, что следствием асимметричного оребрения является возникновение помимо лобового сопротивления и поперечной нагрузки – подъемной силы.

8. Предложены практические выводы о возможностях интенсификации теплообменных процессов в регулярных структурах ТА за счет асимметричного оребрения, позволяющего достичь значения теплосъема на 30% больше.

9. Предложен метод для установления коэффициента сравнительной эффективности пучков труб и получена простая в употреблении формула расчета.

10. Предложено использовать результаты численного расчета в практике проектирования ТА, проблемы фильтрации, литейном деле, аэрокосмической технике и другие.

11. Использовать результаты численных экспериментов при автоматизированном проектировании ТА и их устройств.

В целом, в диссертационной работе решена важная проблема неизотермического течения и теплообмена в регулярных структурах ТА и их элементах на основе ее анализа путем создания эффективных вычислительных алгоритмов и комплексов программ для ЭВМ, используя нерегулярную полярную сетку.




Рис.1. Схема расположения труб в пучке и их конфигурация: а- коридорное гладкотрубное; б – шахматное гладкотрубное; в – однорядный гладкотрубный пучок; е - мембранный коридорный пучок; ж - оребренный коридорный пучок; з – схема изображения гладкотрубного коридорного пучка; и – шахматное изображение пучка гладких труб; к- схема мембранного пучка; л – схема коридорного оребренного пучка.




Рис.2. Продольное оребрение: Рис. 3. Расчетные области:

а- симметричное; б- ассиметриченое; а-«q» расчетная область;

в- кольцевое. б – «Q» расчетная область

и полярная сетка на ней.





Рис. 4. Виды сечений и оребренные трубы: Рис .5. Размещение узлов: а, б – в декартовых

а – поперечное; б – поперечное и координатах; в – элемент KO , охватывающ

продольное сечения; в – г – виды оребре- чий узел P; г – узлы в полярной системе;

ния труб. ( ● ; х) – узлы хранения; ○ – скалярных

переменных.





Рис.6. Изображение коридорного гладкотрубного пучка круговых труб и расчетной ячейки:

а – АВСД расчетная ячейка ( модуль) корудорного гладкотрубного кругового пучка;

б - расчетная область (ячейка) гладкотрубного кругового пучка;

в – расчетная область (ячейка или модуль) гладкотрубного кругового пучка в другой конфигурации; г – схема расчетной области (расчетного модуля); s1 и s2 – относительные поперечный и продольный шаги; d – диаметр трубы.





Рис. 7. Определения интерполяционных коэффициентов при заданных граничных условиях;

а – пристеночный КО для радиальной составляющей скорости; б – для всех остальных переменных; в – расчет интерполяционных коэффициентов .




Рис. 8. Картины течения с симметрично расположенным продольным оребрением регулярных коридорных пучков труб 2,0 х 2,0 в виде линий постоянных значений функции тока : а – вариант четырех ребер; б- вариант восьми ребер.




Рис. 9. Блок-схема решения нестационарной задачи в ламинарном диапазоне изменения числа Рейнольдса.




Рис. 10. Численные результаты расчета теплоотдачи трубы регулярных коридорных пучков при числе Pr = 0,73.




Рис. 11. Топологически подобные профили напряжения трения в регулярных коридорных пучках труб в ламинарном режиме изменения числа Рейнольдса . Развитие с ростом числа Re поверхностного трения : 1 – Re=40; 2 - Re=100; 3 - Re=250; 4 – Re=500.




Рис. 12. Эволюция с ростом числа Re поверхностного распределения давлениядля регулярных коридорных пучков труб различной плотности: 1,25 х 1,25; а – плотные пучки труб; б – свободные пучки труб




Рис. 13 . Влияние числа Рейнольдса на число Эйлера для мембранных и ассиметрично оребренных регулярных коридорных пучков труб. Пучок : 1,25 х 1,25 – верхняя полоса; 1,50 х 1,50 – средняя полоса; 1.38 х 1,38 – верхняя полоса; 2,0 х 2,0 – полоса 5; 2,0 х 2,0 – нижняя полоса (4 и 8 ребер)






Рис. 14. Схема «среднего» Фурье: а – точки сходимости корреляционной зависимости

α = F (Re) 1; 2 – базовые зависимости ; 3 – искомая кривая; б – число Нуссельта в зависимости от числа Рейнольдса в переходном режиме течения; ● - 3 – кривая , полученная по методу «среднего» Фурье






Рис. 15. Ассиметричное оребрение: а , б – картины течения ассиметрично и продольно оребренной трубы пучка 2,0 х 2,0 в виде линий постоянных значений функции тока и линий постоянных значений температуры при числе Re=500; в - распределение чмсла Nu / Num на поверхности ассиметрично и продрольно оребренной трубы пучка 2,0 х 2,0.




Рис. 16. Симметричное продольное оребрение : а, б, в, г – распределение коэффициентов трения и давления (случаи четырех и восьми ребер) соответственно для пучка труб 2,0 х 2,0




Рис. 17. Распределение среднего числа Нуссельта для симметрично оребренного регулярного коридорного пучка труб 1,88 х 1,88 : а- случай четырех ребер; : б- случай восьми ребер.





Рис 18 . Регулярный коридорный мембранный пучок труб.

а – изображение пучка; б – схема компоновки пучка; в – картина течения в виде линий постоянных значений функции тока для пучка 2,0 х 2,0 и Re = 40





Рис. 19. Распределение местного числа Нуссельта на поверхности трубы мембранного регулярного коридорного пучка: а –  эксперимент (Жукаускас, Re = 57); ● – настоящий расчет (Re = 40); ○ –настоящий расчет ( Re= 500); - эксперимент (Улинскас, Re = 502);  - эксперимент (Жукаускас, Улинскас Re = 500); б – тоже, что и в а, везде Pr =0,73




Рис. 20. Влияние числа Re на число Эйлера для регулярных коридорных гладкотрубных и продольнооребренных мембранных пучков труб. Обозначения : - настоящий расчет; ○ – эксперимент (Локшин В.А., Лисейкин И.Д. ).




Рис. 21. Процедура построения картин течения для переменной .


Расчетные данные Num и Eu


Для пучка 2,0 х 2,0 и Pr = 0.73


Таблица 1


Re
40
100
250
500


Num

4,49

4,58

4,66

6,43



Таблица 2



Re
40
100
250
500


Eu

- 0,76

- 0,34

- 0,20

- 0,14



Расчетные данные сравнительной эффективности гладкотрубных и оребренных пучков труб

( 2,0 x 2,0 , Pr =0,73)


Таблица 3


Re
η
η2
η4
η 8


500

46,0

52,5

50,2

23,8



ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНО В СТАТЬЯХ

1. Костенко А.В. Построение корреляционных зависимостей с использованием рядов и комплексного преобразования Фурье в исследовании течения и теплообмена в круговых пучках труб //Проблемы машиностроения и автоматизации. Международный журнал, № 2, - 2007. – С. 103-107.

2. Костенко А.В., Гусаков А.А. О теореме запаздывания в комплексном исчислении // В сб. Вопросы механики жидкости и газов. Тр.,вып.2. Куйбышев, 1969.- С. 57-61.

3. Костенко А.В. Некоторые замечания о порядке убывания комплексных изображений// В сб. «Механика», Куйбышев, 1969. –С. 62-67.

4. Костенко А.В. О некоторых теоремах комплексного исчисления // В сб. «Волжский математический сборник», вып. 7. Куйбышев, 1969. –С.57-61.

5. Костенко А.В. Нахождение комплексного изображения от произведения функции на факториальную // В сб. «Методы математического моделирования и теория электрических цепей». Вып.3,АН УССР. Киев,1969. –С.89-91.

6. Костенко А.В. Обобщенная теорема о комплексном изображении произведения двух функций // В сб. «Математика». Куйбышев,1970. –С.224-226.

7. Костенко А.В. Численное моделирование обтекания и теплообмена коридорного пакета труб с ассиметричным продольным оребрением. Деп. в ВИНИТИ, 15.01.92, 161-В92, 1992.-С.13.

8. Костенко А.В. Использование интерполяционных соотношений при нахождении параметров течения и теплообмена в расчетной области. Деп. в ВИНИТИ, 07.07.1988,№ 5476-В88.-М.:1988.-С.12.

9. Костенко А.В. Численное моделирование течения и теплообмена коридорных пакетов труб с симметричным продольным оребрением. Деп. в ВИНИТИ 24.01.90, № 485 – В 90. –М.: 1990. –С. 12.

10 Костенко А.В., Костенко В.А. Расчет обтекания и теплоотдачи коридорного пакета труб с симметрично расположенным продольным оребрением // Механика строительных конструкций из новых материалов и проблемы практического внедрения в производство: Материалы межд. научн. - техн. симпозиума, Комсомольск на Амуре: КнАГТУ, 1995.-С.85-88.

11. Костенко А.В., Костенко В.А. Расчет обтекания и теплоотдачи коридорного пакета труб с ассиметрично расположенным продольным оребрением // Механика строительных конструкций из новых материалов и проблемы практического внедрения в производство: Материалы межд. научн.- техн. симпозиума. Комсомольск на Амуре, КнАГТУ, 1995,-С.163-165.

12. Костенко А,В., Усольцев Ю.А., Черепюк И.Д. Численное моделирование течения вблизи поверхности обтекаемого тела симметричной формы // Проблемы механики сплошной среды. Ч.1: Материалы тр. научн.-техн. конф. Комсомольск на Амуре: КнАГТУ, 1988, -С. 163-165.

13. Костенко А.В. Численное моделирование обтекания и теплообмена в оребренных коридорных пучках труб поперечным потоком жидкости // Проблемы машиностроения и автоматизации. Международный журнал. №3, 2006. –С. 60-67.

14. Костенко А.в. Обнаружение подъемной силы течения в коридорном пакете труб с ассиметрично расположенным оребрением // Нелинейная динамика и прикладная

синергетика: Ч.1: Материалы тр. межд. научно-техн. конф. Комсомольск на Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2003.-С.88-81.

15. Костенко А.В. Сопротивление и теплоотдача коридорного пакета труб в ламинарном диапазоне числа Рейнольдса (результаты численного эксперимента). Автореферат дис. на соиск. ученой степ. к.т.н . АН Белоруссии. АНК ИТМО им. А.В. Лыкова. – Минск.1992,-С.21.

16. Костенко А.В. Об автомодельности процесса течения и теплообмена в ламинарном режиме изменения числа Рейнольдса // Повышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в ДВ регионе и странах АТР:Ч.2: Материалы тр. межд. научн.-техн. конф. Комсомольск на Амуре :ГОУВПО «КнАГТУ», 2006. –С.143-145.

17. Костенко А.В., Костенко В,А., Черепюк И.Д, Расчет течения и теплообмена коридорного пакета труб в проблеме сооружений переправ через водные преграды // Проблемы механики сплошной среды: Ч.1: Материалы тр. межд. научн.-техн. конф. Комсомольск на Амуре: КнАГТУ, 1998. –С.163-164.

18. Патент изобретения № 2260648 РФ, «Ледяная переправа», зарегистр. в Гост.реестре изобр. РФ 20.09.2005; Заявлено 07.04.2003, заявка №2003109921. г. Москва.

19. Свидетельство об офиц. регистр. Программы для ЭВМ № 2003611264 «Коридор» / А.В. Костенко, заявка № 2003610709,03.04.2003. Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 28.05.2003, г. Москва.

20. Свидетельство об офиц. регистр. программы для ЭВМ № 2006613241 «Трубные пучки» / А.В. Костенко, заявка № 2006611329, 24.04.2006. Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 14.09.2006.г. Москва.

21. Свидетельство об офиц. регистр. программы для ЭВМ № 2007612330.

«Корреляция Эйлер-Нуссельт» / А.В.Костенко, заявка № 2007611491, 20.04.2007. Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 04.06.2007.г. Москва.

22. Костенко А.В. Расчет обтекания и теплоотдачи коридорного пакета труб с симметрично расположенным оребрением // Повышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в ДВ регионе и странах АТР: Ч.2: Материалы межд. научн.-техн. конф. Комсомольск на Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ». 2006. –С.135-142.

23. Костенко А.В., Воротников С.М. Элементы теории аналитических функций и операционного исчисления в задачах и примерах. Комсомольск на Амуре, 2003, -С. 256.

24. Костенко А.В., Воротников С М. Элементы теории аналитических функций и операционного исчисления в задачах и примерах. Комсомольск на Амуре, 2004 –С.274.

25. Костенко А.В. Использование алгоритмической блок-схемы при расчете аэродинамического сопротивления и теплоотдачи мембранного коридорного пакета труб. Деп. в ВИНИТИ 29.02.88, № 1628-В 88. –М.: 1988.-С.32

26. Костенко А.В. К набору экспериментальных данных в процессе обтекания и теплообмена труб с использованием критерия подобия // Повышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в ДВ регионе и странах АТР: Ч.2: Материалы межд. научн.-практ. конф. Комсомольск на Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2006. –С.131-134.

27. Костенко А.В. Использование комплексов программ численного моделирования течения и теплообмена в регулярных коридорных пучках труб в задачах фильтрации // В сб. «Дальневосточная весна -2007»: Материалы межд. научн.-практ. конф. в области экологии и безопасности жизнедеятельности: Комсомольск на Амуре, 7-8 июня 2007.-С. 184-187.

28. Костенко А.В. Использование результатов численного моделирования течения и теплообмена в регулярных коридорных пучках труб в задачах фильтрации и теплопотерь органами дыхания // В сб. «Дальневосточная весна - 2008» : Материалы межд. научно-практической конф. в области экологии и безопасности жизнедеятельности: Комсомольск на Амуре, 2008 –С.203 - 205.

29. Олейников А.И., Костенко А.В. Обнаружение подъемной силы в задаче обтекания и теплообмена ассиметрично и продольно оребренных регулярных пучков труб поперечным потоком жидкости с помощью численного моделирования // Проблемы машиностроения и автоматизации. Международный журнал № 1, 2008. – С. 105 – 110.

30. Костенко А.В. К вопросу оценки сравнительной эффективности гладкотрубных и продольно оребренных коридорных пучков труб // Проблемы машиностроения и автоматизации. Международный журнал. №4 , 2008. – С 103 - 104.

31. Костенко А.В. Алгоритмы и программы численного моделирования неизотермического течения в элементах теплообменников // Информатика и системы управления. - 2008. - № 1 (15). – С. 46 -55.

32. Костенко А.В. Использование программ численного моделирования мембранных коридорных теплообменных учстройств // Информатика и системы управления.- 2008. № 3 (17). – С. 40 – 46.

33. Костенко А.В. О методике коррекции градиента среднемассовой температуры теплообмена коридорных пучков труб в разработке программ компьютерных технологий //Информатика и системы управления. – 2008 . - № 4 (18) , - С.33 – 39.

34. Костенко А.В. Результаты численного моделирования течения и теплообмена в мембранных регулярных коридорных пучках труб // Вестник КнАГТУ. Вып. 12 Часть 1. - Комсомольск-на-Амуре. ГОУВПО «КнАГТУ», 2008. – 185 С.

35. Костенко А.В., Купченко А.В. Применение результатов численного моделирования течения и теплообмена мембранных пучков труб при построении устройств для использования газов при переработке нефти// В сб. «Дальневосточная весна - 2008». Материалы межд. научн.-практ. конф. в области экологии и безопасности жизнедеятельности: Комсомольскна Амуре. 2008. – С. 242-243.

36. Костенко А.В., Зигун К.В. Применение результатов численного моделирования к построению устройств фильтрации водных массивов// В сб. «Дальневосточная весна - 2008». Материалы межд. научн.-практ. конф. в области экологии и безопасности жизнедеятельности: Комсомольск на Амуре. 2008. – С. 243 – 244.

37. Костенко А.В. Численное моделирование течения и теплообмена в мембранных коридорных пучках труб поперечным потоком жидкости // Проблемы машиностроения и автоматизации. Международный журнал № 1 , 2009. – С 95 – 99.