Автореферат (Моделирование гидродинамики и теплообмена при турбулентных течениях газа в каналах с переменным расходом)

На правах рукописи Янышев Дмитрий Сергеевич МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЯХ ГАЗА В КАНАЛАХ С ПЕРЕМЕННЫМ РАСХОДОМ Специальность: 01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва — 2012 Работа выполнена в Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете) «МАИ» Научный руководитель: д.т.н., доцент Краев Вячеслав Михайлович Официальные оппоненты: Деревич Игорь Владимирович, д.т.н., профессор, Московский государственный технический университет им.

Н.Э.Баумана, профессор кафедры «Прикладная математика» Яковлев Алексей Александрович, к.т.н., доцент, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), доцент кафедры «Теория воздушно- реактивных двигателей» Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Красноярский машиностроительный завод» Защита ооотоитоя к 15» октября 2012 г. и 15-00 иа заседании диссертационного совета Д 212.125.08, созданного на базе Московского авиационного института (национального исследовательского университета). Автореферат разослан «» 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.125.08 д.т.н., профессор Зуев Ю.В. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (национального исследовательского университета) «МАИ» по адресу 125993, г. Москва, А-80, ГСП-З, Волоколамское шоссе, д.4 Общая характеристика работы Акт альность и облемы. В современной науке и технике особое место занимают вопросы оптимизации различных процессов и устройств. Сейчас, когда большинство основополагающих принципов создания энергоустановок уже известны, повышение эффективности их работы— первостепенная задача. Расчеты нестационарных тепловых и гидродинамических процессов становятся в ряд определяющих при разработке новых образцов техники в различных областях — в авиации и космонавтике, теплоэнергетике, судостроении, криогенной технике и т.

д. Это вызвано возрастанием энергонапряженности устройств, повышением требований к возможным режимам регулирования работы этих систем. Все еще мало исследованной с этой стороны являются процессы нестационарные. Данных по таким процессам на сегодняшний день часто не хватает и очень часто используется подход так называемого квазистационарного приближения, которое заключается в том, что влиянием нестационарности на интегральные характеристики системы пренебрегается. Опыт, однако, показывает, что во многих случаях такой подход оказывается несостоятельным. Самой большой сложностью в оптимизации процессов, связанных с конвективным тепло обменом и гидродинамикой, является подчас их нерегулярность и, как следствие, трудность математического описания.

Поэтому проблема исследования не стационарных процессов теплообмена и гидродинамики и разработка методики их расчета и оптимизации представляются чрезвычайно актуальными. Очевидно, что инженерные расчеты по теплообмену и гидродинамике могут быть выполнены при условии фундаментального изучения нестационарных процессов.

Лишь органичное сочетание фундаментальных и прикладных исследований является наиболее эффективным путем получения практических результатов. Объектом исследования в настоящей работе являются гидродинамически нестационарные турбулентные течения в каналах при числах Рейнольдса Ке от 3200 до 30000 с монотонно изменяющимся расходом. ель диссе та ионной абати.

Обобщение экспериментальных и теоретических данных и разработка адекватной незатратной методики моделирования турбулентных течений газа в каналах в условиях гидродинамической нестационарности. Для достижения поставленных целей решаются следующие задачи: — Разработка вычислительной методики для моделирования турбулентных течений. — Валидация существующих моделей турбулентности на предмет адекватности моделирования гидр один амически нестационарных турбулентных течений.

— Анализ и обобщение экспериментальных и теоретических данных относительно гидродинамически нестационарных течений газа в каналах. — Разработка модели турбулентности для гидр один амически нестационарного течений газов в каналах.

На чная новизна работы состоит в следующем: — Проанализированы широко используемые на сегодняшний день модели турбулентности на предмет адекватности моделирования гидродинамически нестационарных течений. — Получены универсальные аналитические выражения для коэффициента трения и его производной по параметру для течения в каналах для гладких и шероховатых труб. — Предложены обобщающие зависимости для инженерных расчетов нестационарного коэффициента трения при ускорении и замедлении газового потока в трубе. Особенностью зависимостей является возможность их применения для любой монотонной кривой изменения расхода. — Предложены обобщающие зависимости для инженерных расчетов нестационарного коэффициента теплоотдачи при ускорении и замедлении газового потока в трубе.

Особенностью зависимостей является возможность их применения для любой монотонной кривой изменения расхода. — Предложена эмпирическая зависимость для коэффициента вихревой вязкости при гидродинамически нестационарном течении газа в канале. — Выявлено влияние второй производной по времени от расхода на профиль турбулентной вязкости при гидродинамически нестационарном течении газа в канале.

— Выявлено влияние гидродинамической нестационарн ости на турбулентное число Прандтля. — Разработана незатратная модель турбулентности, способная адекватно моделировать гидродинамически нестационарные турбулентные течения газов в каналах. Методы исследования. Результаты работы получены на основе сочетания метода математического моделирования и экспериментальных исследований. В теоретических исследованиях использована математическая модель, включающая полную систему уравнений НавьеСтокса (Рейнольдса) для несжимаемого течения, уравнение энергии, и уравнения для турбулентных характеристик. Математическая модель решалась с помощью широко используемых эффективных численных методов. Эксперименты проводились с помощью терм оанемометрич еского оборудования фирмы ТЯ1 с использованием воздуха в качестве рабочего тела.

положений подтверждается остове ность на чных использованием законов сохранения массы, количества движения и энергии, теории численных методов; всесторонним тестированием применяемых численных методов и алгоритмов, сравнением результатов расчетов с экспериментальными данными, использованием экспериментальных данных как базиса для разработанной модели турбулентности. На чные положения выносимые на за ит — Полуэмпирическая модель турбулентности для гидродинамически нестационарных турбулентных течений газа в каналах с монотонно изменяющимся расходом. — Эмпирическая модель турбулентной вязкости в каналах для гидродинамически нестационарных турбулентных течений газа в каналах с монотонно изменяющимся расходом.

— Результаты валидации моделей турбулентности на предмет адекватности расчета гидродинамически нестационарных турбулентных течений газа в каналах с монотонно изменяющимся расходом. — Модели для инженерных расчетов коэффициента трения в условиях гидродинамической нестационарности. — Аналитические зависимости для коэффициента трения и его производной по параметру для гладких и шероховатых труб. Личное частие авто а. Автором лично разработаны и апробированы: — метод получения аналитических решений в некоторых задачах теории турбулентного пограничного слоя с помощью функции Ламберта; — модели для инженерных расчетов коэффициента трения в условиях гидродинамической нестационарности; — полуэмпирическая модель турбулентности для гидродинамически нестационарных турбулентных течений газа в каналах с монотонно изменяющимся расходом.

Автором лично проведены: — критический анализ и обобщение полученных в МАИ экспериментальных данных по турбулентной вязкости при течении газа в условиях гидродинамической нестационарности; — тестирование (валидация) наиболее широко используемых на сегодняшний день моделей турбулентности на предмет адекватности моделирования гидродинамически нестационарных течений в каналах. 17 актическая значимость и енность п оведенных исследований заключается в их использовании для решения широкого круга практических задач теплотехники авиационной, ракетно-космической и других отраслей промышленности, в особенности при проектировочных и поверочных расчетах различных систем терморегулирования. Предложенные в работе математические модели позволяют: — проводить анализ переходных процессов в различных газодинамических системах; — оптимизировать процесс регуляции и регулирующие устройства.

Вубликпйии. Оововные результаты диооертации олубликовавы в 12 печатных работах, в том числе в 4 статьях в журналах из списка ВАК Мин обри ауки. Ап оба ия и внед ение ез льтатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 1ой и 2ой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва), на ХУ11 Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева (г.Жуковский), на Х11, Х111 и Х1У международных конференциях «Решетневские чтения» (г.Красноярск). Ст кт а и объем диссе та ии.