На правах рукописи
КАЛИМУЛЛИН Радик Рифкатович
МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ
ДВУХФАЗНОЙ ЖИДКОСТИ В ВИХРЕВОМ
ТЕПЛОГЕНЕРАТОРЕ
Специальность 05.04.13 – Гидравлические машины
и гидропневмоагрегаты
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Уфа – 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре прикладной гидромеханики
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ЦЕЛИЩЕВ Владимир Александрович, заведующий кафедрой прикладной гидромеханики ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор КРИВОШЕЕВ Игорь Александрович, профессор кафедры «Авиационные двигатели» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»
кандидат физико-математических наук, доцент, ХАРЧУК Сергей Иванович, заведующий кафедрой теплоэнергетики и гидропневмоавтоматики ФГБОУ ВПО «Камская государственная инженерноэкономическая академия», г. Набережные Челны
Ведущая организация: ОАО «УАП «Гидравлика», г. Уфа
Защита диссертации состоится «15» марта 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, Уфа, ул. К. Маркса, д. 12.
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет».
Автореферат разослан «15» февраля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Ф. Г. Бакиров
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Одним из направлений развития энергетического комплекса страны является создание высокоэффективных компактных энергоустановок, преобразующих с минимальными потерями энергию источников различных видов в тепловую энергию. При этом они должны соответствовать самым жестким требованиям к вредным выбросам в окружающую среду. Исследования показывают, что особые свойства закрученных течений имеют широкий диапазон технических приложений в энергетическом, теплообменном и технологическом оборудовании различных отраслях экономики. В частности, вихревые теплогенераторы используются в качестве как основных, так и резервных автономных систем отопления и горячего водоснабжения жилых, производственных и общественных зданий, а также в различных технологических процессах в сельском хозяйстве и нефтехимической промышленности.
Сложные тепловые и гидродинамические явления, происходящие в вихревых теплогенераторах в процессе преобразования энергии высоконапорного потока жидкости в тепловую энергию, освещены в трудах таких авторов, как А. Е. Акимов, Ю. М. Ахметов, О. В. Байбаков, А. И. Гуляев, В. Д. Дудышев, А. П. Меркулов, Р. И. Мустафаев, Н. И. Овчаренко, Ш. А. Пиралишвили, Ю. С. Потапов, Л. П. Фоминский, В. А. Целищев, и т.д. Анализ литературы показывает, что по настоящее время общепринятой объективной теории, объясняющей повышение температуры жидкости в вихревом теплогенераторе (ВТГ), нет. У исследователей имеются разногласия, как по теоретическим положениям описания процессов течения жидкости, так и по оценке результатов экспериментальных исследований ВТГ. В известных ВТГ, конструкция «пассивных» схем которых была определена в трудах профессора А. П. Меркулова, а затем существенно продвинута на экспериментально-прикладном уровне работами профессора С. Ю. Потапова, преобразование энергии в тепловую происходит за счет особенностей высоконапорного вихревого течения несжимаемой жидкости.
Высоконапорный поток несжимаемой жидкости с однофазной начальной структурой за счет значительного повышения скорости конфузорностью канала и спирального изменения направления искривлением канала (по спирали Архимеда) приобретает крупномасштабную вихревую структуру. В условиях многомерного вихревого течения под действием массовых сил и изменения градиентов давления в потоке происходит непрерывное изменение структуры потока, что усложняет задачу выявления действующих закономерностей, как на аналитическом, так и на экспериментальном уровне.
Широкому распространению вихревых энергоустановок, являющихся средством экологически чистого способа преобразовании энергии, препятствует недостаточная изученность физических явлений, происходящих в них, закономерностей влияния конструктивных параметров теплогенератора на термодинамические характеристики потока жидкости.
Решение многих проблем создания высокоэффективных ВТГ можно упростить применением численного моделирования течения потока жидкости с последующей верификацией полученных моделей. В связи с тем, что сложная задача математического моделирования течения двухфазной жидкости в вихревых аппаратах в настоящее время не полностью решена и имеет большое практическое значение, тема диссертации является актуальной.
Основанием для проведения исследований явился грант Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», выполненный по теме «Разработка принципов высокоскоростного разложения водосодержащих жидкостей для получения безуглеродных видов топлива» в УНИЦ «Гидропневавтоматика» ФГБОУ ВПО «УГАТУ».
Цель исследований: разработка методики моделирования гидродинамических процессов течения двухфазной жидкости в вихревом теплогенераторе.
Сформулированная цель и проведенный анализ нерешенных проблем по теме диссертации позволили определить следующие основные задачи исследования диссертационной работы:
провести анализ обобщенных характеристик вихревых теплогенераторов по интегральным характеристикам;
разработать математическую модель течения двухфазной жидкости в вихревом теплогенераторе;
провести численное моделирование течения двухфазной жидкости в вихревом аппарате с применением пакета прикладной программы;
провести экспериментальное исследование, идентификацию и верификацию математической модели течения двухфазной жидкости в вихревом теплогенераторе.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы методы 3D CAD/CAE численного моделирования гидродинамических процессов, замыкаемых k- моделью турбулентности, комплексно-системного подхода к исследованию гидравлических машин, теории принятия решений, планирования эксперимента, верификации математических моделей на основе результатов экспериментальных исследований.
Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждается полнотой и обстоятельностью анализа процессов в вихревой энергоустановке и математических моделей их описания; корректным применением основополагающих законов гидродинамики; корректностью выбора исходных допущений и ограничений при математическом моделировании течения жидкости в вихревом теплогенераторе;
адекватностью разработанной математической модели процессам, протекающим в исследуемом объекте; применением апробированного научно-методического аппарата математического моделирования в гидродинамических системах; использованием средств измерений, прошедших поверку и калибровку и обеспечивающих удовлетворяющих поставленным задачам точность измерений; верификацией результатов расчетов по разработанной модели с экспериментальными данными.
Научная новизна результатов:
1) впервые составлена математическая модель течения двухфазной жидкости в вихревом теплогенераторе с учетом эффекта кавитации и поэлементного нагрева жидкости, позволяющая на этапе расчетно-проектных работ получить визуализированные картины изменений основных параметров и характер протекания процессов;
2) сформирована критериальная база в виде комплекса уравнений, определяющих относительные геометрические параметры проточного тракта, кинематические, динамические и тепловые характеристики процессов течения рабочей жидкости, позволяющая аналитически описать работу вихревой установки;
3) показано наличие положительной обратной связи в вихревом теплогенераторе, который ускоряет процесс нарастания температуры рабочей жидкости;
4) разработана методика моделирования течения двухфазной жидкости в вихревом теплогенераторе в одномерной и многомерной постановке решения, с учетом необходимых итерационных операций верификации и определением основных параметров процесса для формирования исходных данных по разработке конструкторской документации.
Практическая ценность работы Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная методика позволяет проводить расчетные работы при проектировании вихревых теплогенераторов и сократить затраты на проведение расчетных, проектных работ и экспериментальных исследований.
Результаты исследований внедрены в:
1) ОАО «УАП «Гидравлика» при разработке перспективных схем и конструкций энергетических установок;
2) ОАО «Институт технологии и организации производства» при проектировании вихревых теплогенераторов;
технический университет» в виде конспекта лекции в рамках учебнообразовательного курса «Нестационарные газодинамические эффекты в системах гидравлических и пневматических приводов».
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих международных и российских конференциях:
всероссийская НТК «Динамика машин и рабочих процессов» (Челябинск, ЮжУРГУ, 2009); всероссийская молодежная НК «Мавлютовские чтения»
(Уфа, УГАТУ, 2008-2010 гг.); всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых «Участник молодежного научноинновационного конкурса «У.М.Н.И.К» (Уфа, 2009-2010 гг.); XIII международная НК посвященная 50-летию Сиб. гос. аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева (Красноярск, 2009); третья всероссийская молодежная НТК «Вакуумная и компрессорная техника и пневмоагрегаты» (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации представлены в 15 публикациях с объемом 14 п.л., в том числе в двух статьях в издании, рекомендованном ВАК, патенте РФ № 2431883. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 79 наименований, содержит страниц текста, в том числе 34 рисунков, 23 таблиц, 8 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы научная проблема, цель, задачи исследования, научная новизна, практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту, структура и краткое содержание работ по главам.
В первой главе дается анализ гипотез вихревого преобразования энергии, анализ конструктивно-компоновочных особенностей вихревых аппаратов, а также моделей преобразования энергии в жидкостных вихревых теплогенераторах (ВТГ).
Во всем многообразии конструкторских решений можно выделить три существенно отличающиеся между собой разновидности теплогенераторов:
активные, пассивные аксиальные, пассивные тангенциальные.
гидродинамические процессы течения рабочей жидкости в пассивных схемах вихревых теплогенераторов, что, до настоящего времени, практически не рассматривалось.
Нагрев теплоносителя осуществляется за счет следующих эффектов:
преобразование электрической энергии питания электропривода насоса в потенциальную энергию давления рабочей жидкости с увеличением ее температуры, а также преобразования потенциальной энергии в тепловую в гидродинамических процессах организованного высокопотенциального вихревого течения с рекомбинацией тепловых потоков за счет введения положительных обратных связей по расходу рабочей жидкости, и использование дроссель-эффекта при течении рабочей жидкости.
Пассивный гидродинамический теплогенератор с тангенциальным вводом потока жидкости является модификацией известной газовой вихревой трубы, основанной на эффекте Ранка-Хильша и предназначенной для организации процесса температурной стратификации газового потока. В данной работе исследованы процессы, происходящие в подобной вихревой трубе при использовании в качестве рабочей жидкости воды.
При анализе различных типов ВТГ рассматривались наиболее характерные относительные показатели, связывающие геометрические характеристики теплогенераторов с основными тепловыми процессами, Автор выражает глубокую благодарность к.т.н., доценту Ахметову Ю.М. за консультации, ценные замечания и поддержку, оказанную в ходе выполнения работы.
происходящими в них. В качестве сравнительных относительных показателей, в частности, рассматривались нижеприведенные показатели:
коэффициент преобразования энергии, определяемый как отношение количества выделенной тепловой энергии Q к затрачиваемой мощности электродвигателя привода насоса N. Этот коэффициент интегрально характеризует эффективность процесса преобразования энергии в теплогенераторе;
удельные затраты мощности на единицу расхода рабочего тела, определяемые как отношение затрачиваемой энергии N к расходу воды G, то есть затрачиваемая мощность на 1 м3/час расхода воды;
показатель влияния скоростного режима на коэффициент преобразования энергии, рассчитываемый как отношение коэффициента преобразования энергии Q/N к скорости течения рабочей жидкости.
Критериальные показатели позволяют определить влияние отдельных факторов на эффективность работы ВТГ, провести сравнительную оценку теплогенераторов различного конструктивного исполнения. В качестве основного характерного фактора выбран показатель среднемассового скоростного режима течения жидкости в трубе, так как различные модификации ВТГ имеют различные скорости потока. Следует отметить, что наибольшую скорость потока имеет теплогенератор с двухсопловым подводом рабочей жидкости при сохранении диаметра вихревой трубы.
Анализ полученных результатов, позволяет сделать вывод о том, что с увеличением скорости потока увеличивается эффективность ВТГ, то есть количество выделенной тепловой энергии, полученной с единицы затраченной мощности.
Вторая глава посвящена разработке математической модели течения двухфазной жидкости в ВТГ. Проведен анализ течения жидкости в ВТГ, проточный тракт которого условно разделен на пять участков (рисунок 1):
конфузор, улитка (камера завихрения), участок трубы от улитки до крестовины (вихревая камера), тормозное устройство, байпасная линия.
Рисунок 1 – Твердотельная модель вихревой трубы Математическая модель вихревого движения и нагрева жидкости в ВТГ включает: уравнение движения вязкой несжимаемой жидкости, уравнение неразрывности, уравнение баланса полной энергии, модель турбулентности k-, модель кавитационного массопереноса.
Для двухфазного потока уравнение неразрывности имеет вид:
где r – объемная доля жидкости; r – объемная доля пара; – плотность жидкости, кг/м3; – плотность пара, кг/м3; Г – источник или сток массы, кг/м3с.
При этом для замыкания системы выдерживаются соотношения:
Уравнение межфазного массопереноса при парообразовании:
где rnuc – объемная концентрация центра зародышеобразования, RВ – радиус пузырька, Fvap – кавитационный коэффициент парообразования, pнп – давление насыщенных паров, p – относительное давление в потоке.
Уравнение межфазного массопереноса при конденсации:
где Fcond – кавитационный коэффициент конденсации.
Уравнение импульсов имеет вид:
где p – градиент нормальных давлений; – градиент касательных напряжений.
Вязкость рассчитывается по уравнению:
Значение турбулентной вязкости µt рассчитывается по модели турбулентности. При расчте кавитации выбор модели турбулентности является наиболее сложным. Для расчта кавитации в местных гидравлических сопротивлениях наиболее приемлема модель k-, основанная на гипотезе Буссинеска. Турбулентная вязкость в модели k- рассчитывается через турбулентную кинетическую энергию k и скорости е диссипации где С – эмпирический коэффициент равный 0,09.
рассчитываются по соотношениям Уравнение баланса полной энергии где hp – энтальпия,p – коэффициент теплопроводности, Tp – температура, ti – турбулентная вихревая вязкость, Pr t – турбулентное число Прандтля, Qp – межфазная теплоперенос, p =,.
Удельное количество энергии где c 0,9 ; Cp – удельная теплоемкость при постоянном давлении, Т – температура текучей среды, l – коэффициент динамической вязкости, k – индекс участка местного сопротивления.
Нагрев рабочей жидкости в насосе где tВЫХ и tВХ – соответственно температура на входе и выходе насоса;
– удельный объем жидкости, рВЫХ и рВХ – давление на входе и выходе насоса соответственно; Di – коэффициент Джоуля-Томсона, определяемый по формуле где t – коэффициент температурного расширения жидкости.
Нагрев рабочей жидкости по участкам ВТГ где рk – перепад давления на элементе; см – плотность смеси, KКАВ – эмпирический коэффициент.
Плотность смеси с учетом концентрации и объемов каждой фазы:
где kр – коэффициент растворимости газов в жидкости, V – объем газовой фазы, V – объем жидкости.
Давление с учетом концентрации каждой фазы:
m – масса газа;
Объем выделившегося газа:
Суммарный нагрев в вихревом теплогенераторе:
где n – число циклов прохождения рабочей жидкости через ВТГ.
На основе физико-математической модели вихревого эффекта и критериальной базы, предложенной А. А. Фузеевой для газовой вихревой трубы, разработана критериальная база процесса повышения температуры в гидравлической вихревой трубы. Рассмотрено геометрическое, кинематическое, динамическое и тепловое подобия.
В результате приведения в безразмерный вид системы уравнений представленной математической модели и геометрических характеристик вихревых труб подобие предлагается описывать приведенной ниже системой показателей.
Геометрические:
– отношение площади проходного сечения тормозного устройства к площади вихревой камеры, характеризующее степень сжатия потока;
характеризующее размер зоны устойчивого вихря до спрямления потока и его торможения; f b – отношение диаметра байпасной линии к диаметру температуре и параметры потока в вихревой камере;
кинематические:
составляющей скорости к средней скорости во входном сечении конфузора;
динамические:
– отношение расхода потока через байпас к входному расходу;
k k – отношение расхода потока после тормозного устройства к входному расходу; Re – отношение силы инерции к силе вязкости (число Рейнольдса);
тепловые:
температуры на выходе теплогенератора к температуре на входе.
Температурную эффективность ВТГ можно выразить через перечисленные выше параметры: t f f t, f v, f b, Fr, Re, Eu, Sh, Pr, Ro, Ne, Nu, x.
Таким образом, система критериев для численного моделирования процессов вихревых течений жидкости в теплогенераторе позволяет устанавливать требования, которые следует предъявлять к лабораторной модели и проведению на ней исследуемого процесса, для того, чтобы результаты моделирования могли быть использованы для проектирования реальных объектов.
В третьей главе приводятся результаты численного моделирования гидродинамических процессов, происходящих в ВТГ. Для моделирования выбрана цилиндрическая вихревая труба, представленная на рисунке 2.
Расчет по предложенной во второй главе математической модели производился в программном комплексе Ansys CFX, сочетающем уникальные возможности анализа гидрогазодинамических процессов, многофазных потоков и многих других. Дискретизация по пространству осуществлена построением в расчетной области сетки, состоящей из 4,8 млн. ячеек. Сетка имеет плотное расположение ячеек в наиболее интересных для изучения участках теплогенератора.
Граничные условия: процесс адиабатический Начальные условия:
область По результатам численного моделирования установлено, что распределение статического давления в ВТГ показывает неравномерное поле.
Установлено, что в центре основной трубы давление значительно ниже, чем на периферии (рисунок 2, 3).
Рисунок 2 – Изменение полного давления по тракту теплогенератора Рисунок 3 – График изменения полного давления по тракту теплогенератора Установлено, что в вихревой трубе абсолютная скорость течения жидкости в периферийной области превышает скорость центрального течения в 1,5 раза (рисунок 4).
Рисунок 4 – Изменение абсолютной скорости по тракту теплогенератора Рисунок 5 – График изменения температуры по тракту теплогенератора При прохождении жидкости в ВТГ за один цикл разность температур между входной точкой и точкой на выходе из теплогенератора составила 0,1С (рисунок 5).
Направление движение жидкости в ВТГ является значимым. При проведении численного моделирования установлено, что существует Рисунок 6 – Направление движения жидкости исследований, их обобщение вдоль тракта теплогенератора моделирования течения двухфазной жидкости в ВТГ. Предложенная методика моделирования течения двухфазной жидкости представлена в виде блок-схемы на рисунке 7.
На первом этапе моделирования проводится разработка структурной и конструктивной схем ВТГ, твердотельной модели для последующего численного моделирования. Подбираются начальные, граничные условия, физические параметры рабочей среды по аналитическим уравнениям.
«