Главная – Журналы – Теплофизика и аэромеханика 2022 номер 2

Приводится обзор методов экспериментального исследования вихрей Гёртлера в пограничных слоях. Представлены модели, использующиеся для изучения неустойчивости Гёртлера, и описаны основные способы генерации вихрей Гёртлера. Показано, что самопроизвольное неконтролируемое возникновение вихрей Гёртлера порождается шероховатостями поверхности модели (особенно в области передней кромки плоской модели) и возмущениями набегающего потока. Описаны эффективные способы введения контролируемых стационарных и нестационарных возмущений, генерирующих вихри Гёртлера в пограничном слое. Представлены методы экспериментальных измерений параметров пограничного слоя в присутствии вихрей Гёртлера, показаны диагностические возможности этих методов, а также описаны полученные с их применением основные научные результаты.

Построена численная модель динамики плоской локализованной области турбулентных возмущений ненулевой плавучести в линейно стратифицированной среде, основанная на математической модели, включающей в себя дифференциальные уравнения переноса компонент тензора рейнольдсовых напряжений и алгебраические представления компонент вектора турбулентного потока скаляра. Рассмотрена эволюция нагретого турбулентного пятна. Наличие ненулевой плавучести приводит к увеличению размеров турбулентного пятна и генерации внутренних волн большей амплитуды по сравнению с турбулентным пятном нулевой плавучести. Порождение суммарной энергии турбулентности незначительно даже в случае, когда начальная потенциальная энергия турбулентного пятна ненулевой плавучести сопоставима с начальной суммарной энергией турбулентности в нем.

Проведенное исследование показало, что для увеличения эффективности смешения (увеличения полного давления смеси) необходимо расширять сечение высоконапорного потока газа. Установлено, что при распределенном и одноступенчатом смешении потоков совершенного газа параметры смеси одинаковы, однако целесообразно распределенное (многоступенчатое - конечномерный аналог) смешение, т.к. при этом доступно управление течением для соблюдения условия существования стационарного течения в канале.

Применение турбодетандерного агрегата вместо дросселя приводит к понижению выходной температуры. Если температура природного газа снижается ниже температуры замерзания воды, то это может привести к повреждению оборудования. В представленной работе проводится численное моделирование потока газа для реальных условий станций понижения давления и вычисляется ожидаемое падение температуры газа. Для этого с помощью программ вычислительной гидрогазодинамики решаются уравнения неразрывности, уравнения Навье-Стокса, сохранения энергии в совокупности с k - ε- моделью турбулентности. Выполнено моделирование для двенадцати реальных вариантов, определяемых сочетанием трех уровней входного давления газа, двух уровней выходного давления и двух уровней входной температуры газа. Результаты показывают, что уменьшение давления на каждые 9 psi (0,6 бар) сопровождается понижением температуры на 1 °C. Кроме того, установлено, что самое большое падение температуры наблюдается в средней части выходного канала. Отметим, что применение турбодетандера для понижающих станций с высоким входным давлением не рекомендуется из-за очень низкой температуры газа на выходе. Для случая станций с промежуточным давлением предлагается использовать турбодетандеры с нагревателем. Для станций с низким давлением, у которых температура в центральной выходной зоне ниже, чем в других точках, рекомендуется использование турбодетандера со смесителем потока, что может решить проблему замерзания воды.

Приводятся результаты расчетных и экспериментальных исследований характеристик импульсного эжектора, предназначенного для работы в системах управления обтеканием летательных аппаратов. В конструкцию эжектора входит резонатор Гельмгольца, настроенный на определенную резонансную частоту. Полученные расчетные и экспериментальные результаты подтверждают существование резонансных режимов работы эжектора, на которых его эффективность существенно повышается. Результаты расчетных исследований внутренней аэродинамики резонаторного эжектора позволяют объяснить его высокую экономичность по расходу высоконапорного газа, а также преимущества и недостатки по другим параметрам по сравнению со стационарным режимом работы. По величине расхода высоконапорного газа определены границы эффективной работы резонаторного эжектора, а также перспективы его применения в системах управления обтеканием летательного аппарата.

В статье представлен теоретический анализ вызванного вибрациями (G-джиттер) естественно-конвективного потока в вертикальном микроканале в условиях микрогравитации и в присутствии силы Лоренца. При этом также учитываются эффекты скорости проскальзывания и скачка температуры. В работе рассматривается одна составляющая временной гармоники вибраций (G-джиттер). Для профиля скорости и температуры получены решения с комбинированным воздействием движущей силы осциллирующей вибрации (G-джиттер) и индуцированной силы Лоренца; последняя возникает в результате приложения поперечного магнитного поля. На основе решений исследуются четыре предельных случая. Вычисления реализуются при различных активных параметрах: частоте вибраций (G-джиттер), взаимодействии жидкости и стенки, разрежении и числе Хартмана. Результаты исследования показали, что амплитуда скорости уменьшается обратно пропорционально частоте, вызванной вибрацией (G-джиттер), и с увеличением числа Хартмана. Индуцированный поток колеблется с той же частотой, что и влияющая на него вибрация (G-джиттер). Кроме того, магнитное поле может применяться для подавления колебательных потоков вкупе с вибрациями (G-джиттер). Оно более эффективно для демпфирования низкочастотных потоков, но оказывает лишь умеренное демпфирующее воздействие на поток, вызванный высокочастотными вибрациями (G-джиттер). Кроме того, скачок температуры, обусловленный эффектами разрежения и параметром взаимодействия жидкости и стенки, оказывает существенное влияние на естественную конвекцию течения со скольжением.

Представлена математическая модель ламинарного осесимметричного течения степенной жидкости в трубе с участком резкого сужения в неизотермических условиях с учетом диссипативных эффектов. Реология жидкой среды определена законом Оствальда-де Ваале, эффективная вязкость задана в виде функции температуры. Рассмотрено два варианта задания режима теплообмена на твердой стенке трубы: первый подразумевает постоянство температуры жидкости вдоль стенки, второй предполагает постоянное значение температуры жидкости на стенке за исключением участка, включающего окрестность скачка сечения, где задается нулевой тепловой поток. Результаты численного исследования процесса получены с помощью конечно-разностного метода. Проведены расчеты основных характеристик течения, выполнен анализ влияния тепловых граничных условий на структуру потока жидкости и локальные потери давления в трубе

В работе выполнена многокритериальная оптимизация параметров геометрии трубы со спирально-поперечным гофрированием (spirally-cross-corrugated, SCC) при использовании численных методов, генетических алгоритмов (genetic algorithms, GAs) и искусственных нейронных сетей (artificial neural networks, ANNs). В результате, во-первых, получено численное решение для турбулентного течения с различной геометрией SCC-трубы при помощи метода конечных объемов с реализуемой k-ε -моделью турбулентности. Кроме того, в трубе вычисляются коэффициент трения f и коэффициент теплоотдачи. Во-вторых, для турбулентного режима потока исследуется влияние двух параметров - отношений шага гофра ( PR = p / D ) и глубины гофра ( DR = e / D ) к диаметру трубы - на интенсивность продольных структур, включающих четыре вихря, и на тепловые характеристики. На последнем этапе на основе полученных полиномов нейронных сетей применяются многоцелевые генетические алгоритмы (NSGA II) для базирующейся на методе Парето многокритериальной оптимизации параметров потока в рассматриваемых трубах. При этом анализируются два конфликтующих параметра - f Re и число Нуссельта Nu - в зависимости от трех актуальных для проектирования переменных: числа Рейнольдса (Re), величин PR и DR . С помощью многоцелевой оптимизации по Парето выявлен ряд интересных и важных зависимостей указанных параметров и переменных. Полученные зависимости применимы для оптимального проектирования для задач теплопереноса в SCC-трубах. Их невозможно было бы получить без использования комбинации численных методов, ANN-моделирования и оптимизации по Парето.

Проведено численное исследование осциллирующего течения вязкой несжимаемой жидкости в жесткой круглой трубе с локальным сужением. Параметры вязкости и плотности жидкости, диаметр канала и его сужение, а также амплитудно-частотные характеристики расхода жидкости соответствуют течению крови в подколенной артерии человека при стенозе. Число Рейнольдса в области стеноза Re » 5×10³, безразмерная частота пульсаций Sh = 0,43×10^-3, относительное сужение канала d = d / D = 0,4. Особенность течения состоит в том, что за один период осцилляций расход жидкости четыре раза меняет направление. Это способствует ламинарно-турбулентному переходу при внедрении струи из горловины сужения в основной поток. Установлены качественные особенности и количественные параметры пульсирующего течения, в том числе распределение по стенке канала напряжений трения.

Проведено полуаналитическое исследование нестационарного течения Тейлора -Дина в кольцевом пространстве внутри двух концентрических цилиндров, частично заполненных пористым материалом. В данной модели круговой поток создается в результате азимутального градиента давления, а также вращения двух концентрических цилиндров. Уравнение, определяющее поток, обезразмеривается и преобразуется в обыкновенное дифференциальное уравнение с использованием хорошо известной техники преобразования Лапласа. Затем производится обращение преобразования Лапласа с использованием приближения суммы Римана (RSA). Для подтверждения результатов, полученных с использованием неявных конечных разностей (IFD), для стационарного течения в канале выполнено сравнение с точным решением задачи, полученным с помощью подхода RSA. Важно отметить, что управление силой поверхностного сопротивления осуществляется путем подбора подходящих значений параметра b .

Добываемый с поверхности или из недр земли уголь крайне редко пригоден для непосредственного использования и требует подготовки, основанной на физических и/или химических методах удаления определенных компонентов для повышения качества угля до требуемого уровня. Высокая влажность приводит к снижению энергоэффективности работы котла, поэтому процесс сушки топлива является необходимым этапом углеподготовки, а снижение затрат энергии на удаление влаги - актуальной задачей. Один из способов понижения влажности состоит в обработке угля микроволновым излучением. По сравнению с другими способами микроволновая сушка обладает следующими особенностями и важными преимуществами: 1) объёмный нагрев; 2) селективный нагрев (в высушенных областях отсутствует поглощение энергии); 3) низкая тепловая инерционность. Однако данный способ требует высоких энергозатрат и возникает необходимость поиска энергоэффективных режимов обработки. В настоящей работе построена модель сушки, с помощью метода конечных элементов найден оптимальный режим сушки слоя на примере бурого угля Таловского месторождения и определены энергозатраты.

Исследование направлено на изучение влияния излучения газа на ламинарную естественную конвекцию в квадратной полости с внутренним тепловыделением. Реализовано изотермическое охлаждение стенок полости, в то время как температура внутреннего нагревателя поддерживалась постоянной. Из проведенного анализа следует, что тепловое излучение интенсифицирует вихревое движение в полости, обеспечивая однородность температурного поля. Также показано, что оптимальный уровень энергоэффективности достигается, когда нагреватель расположен в центре нижней части полости при угле её наклона p /4.

Одной из перспективных технологий воспламенения является плазменная термохимическая подготовка пылеугольного топлива к сжиганию с использованием плазменно-топливных систем (ПТС). Данная технология позволяет повысить эффективность топливоиспользования и улучшить экологические показатели тепловых электростанций, а также исключить топочный мазут, традиционно используемый для растопки котлов и стабилизации горения пылеугольного факела. В представленной работе приведены результаты численных исследований воспламенения пылеугольного факела в ПТС, котрая предназначена для безмазутной растопки котлов и стабилизации горения факела и представляет собой оснащенную плазмотроном пылеугольную горелку. Помимо электрической мощности плазмотрона и зольности угля, одним из основных режимных параметров ПТС, обеспечивающих воспламенение топлива, является концентрация угольной пыли в аэросмеси, которая может варьироваться в широких пределах. С помощью программы PlasmaKinTherm, объединяющей кинетические и термодинамические методы расчета процессов движения, нагрева, термохимических превращений, определялись условия воспламенения топливной смеси в ПТС для трех указанных выше режимных параметров ПТС. Расчеты выполнены применительно к цилиндрической ПТС диаметром 0,2 м, длиной 2 м. Расход угля составлял 1000 кг/ч. Исследованы условия воспламенения топливной смеси в ПТС в зависимости от мощности плазмотрона (20 - 100 кВт), концентрации угля в топливной смеси в интервале от 0,4 до 1,8 кг угля на 1 кг воздуха, а также для трех различных значений зольности угля (20, 40 и 70 %). Выявлены основные закономерности процесса плазменной термохимической подготовки топлива к сжиганию.