Диссертация (Исследование теплогидравлических характеристик шаровых засыпок при радиальном течении теплоносителя в условиях объемного тепловыделения), страница 10

Очевидно, что в указанныхзонах решение сводится к тривиальному решению U  0 .Для упрощения расчета перфорированных чехлов в ANSYS Fluentрекомендуется использовать модель «porous jump». В документации ANSYSFluent[85]отмечается,чтоиспользованиетакоймоделиявляетсяпредпочтительным, т.к. она более надежна по сравнению с моделью пористойсреды.

При построении геометрии расчетной области чехлы не указываются какотдельная зона. Потери давления на чехлах учитываются заданием коэффициентаинерционного сопротивления ,hгде ξ – коэффициент гидравлического сопротивления, h – толщина чехла.Для наружного перфорированного чехла коэффициент гидравлическогосопротивления определяется в соответствии с рекомендациями [29]:80φf2 ε 0 1 ,64 l  10,751,37521  0,5 1  f  τ 1  f  1  f   2 ,Redo o fгде f – коэффициент живого сечения; dо – диаметр отверстий перфорации; Reо –число Рейнольдса, определяемое по диаметру отверстия перфорации и скорости вотверстиях; ξφ, τ, ε0 – функции (определяются по таблицам и диаграммам [29]).Для внутреннего перфорированного чехла при наличии шаровой засыпкикоэффициентгидравлическогосопротивленияопределялсянаосновеэкспериментальных данных, которые представлены в главе 3.Таким образом, система уравнений (2.4), (2.5) описывает процессыгидродинамики во всей расчетной области.Уравнение энергии в «однотемпературном» приближении имеет вид:T  1  T   T  Tc p U rUzr eff eff  qv ,z  r r r  z z  rгде T - температура гетерогенной пористой среды; cp - удельнаяизобарнаятеплоемкость теплоносителя; qv PT- объемное тепловыделение, Вт/м3; PT –VтепловаяVмощностьТВС,Вт;–объем,занимаемыймикротвэлами.Для вычисления  eff в первом приближении используется упрощенная формула eff   f  1     s , для пористых зон и  eff   f для свободных зон (ε = 1) где f , s -коэффициентсоответственно,причемтеплопроводность.теплопроводностиfучитываеттеплоносителямолекулярнуюиимикротвэловтурбулентную81Выводы к главе 21.

Спроектирован, изготовлен и смонтирован экспериментальный стенд сдвумярабочимиучасткамидляисследованиягидравлическогосопротивления, распределения температуры и теплообмена в шаровыхзасыпках.2. Экспериментальноопределенызакономерноститепловыделениявобъеме шаровой засыпки при использовании индукционного нагрева, длямоделирования внутреннего тепловыделения в шаровой засыпке.3. Выполнена оценка неопределенностей измерений.4.

Выбрана и представлена математическая модель для численногоисследованиягидродинамикиираспределениятемпературывколлекторных системах с шаровыми засыпками и внутреннимиисточниками тепла.82ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ ПРИОБЪЕМНОМ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИИ3.1.Исследованиепотерьдавленияприосевомтечениичерезперфорированную пластину и шаровую засыпкуЭксперименты по определению потерь давления проводились на рабочемучастке №1, описание которого приведено в главе 2.

Целью исследованияявляетсяполучениекоэффициентовгидравлическогосопротивлениядляперфорированной пластины с прилегающей к ней шаровой засыпкой и уточнениекоэффициентов сопротивления шаровой засыпки.Для расчетов коэффициента гидравлического сопротивления различныхэлементов традиционно используют справочник [29]. Данные в [29] представленыв виде таблиц и диаграмм, а также обобщающих эти данные расчетныхсоотношений.Однакосопротивленияприопределенииуединеннойкоэффициентаперфорированнойпластиныгидравлическогопорасчетнымсоотношениям, таблицам и графикам, приведенным на страницах 410-413 [29],были выявлены существенные расхождения. Для определения коэффициентагидравлического сопротивления перфорированной пластины в [29] предлагаетсяиспользовать следующие формулы:φf2 ε 0 Re 1 , (а)64 l  10,751,37521  0,5 1  f  τ 1  f  1  f     2 , (б)Reo do  fτ   2, 4  ld -φ ld , φ  ld  0, 25  0,535ld80,05  ld7,(3.1)ld  l d o ,7,768 6,337 φ  18,78  exp 0,942  7, 246 f  3,878 f 2  log  Reo  ,2 ff 83где f – коэффициент живого сечения пластины (отношение площади отверстий кплощади пластины); Reo определяется по скорости в отверстиях Uo и диаметруотверстия в решетки do; зависимость ε 0 Re от числа Reo представлена только в видетаблицы.Формулы (3.1) справедливы при 30 < Reo< 104 и l/do> 0,015.Сравнениерасчетов представлено на рис.

3.1.Рис. 3.1. Коэффициент гидравлического сопротивления уединенной пластины поданным [29]На рис. 3.1 видно, как качественное, так и количественное расхождениеданных более чем в два раза. Такое несоответствие данных стало одной из причинпроведения собственных экспериментальных исследований для определениякоэффициента гидравлического сопротивления перфорированной пластины.Вторая причина заключается в том, что все расчетные соотношения, описанныевыше, получены для уединенных пластин, в условиях данной работы с однойстороны к пластине прилегает слой шариков, что приводит к изменению картинытечения за ней. Как показано в работе [86] (рис.

3.2), потери полного давления84происходят на расстоянии от пластины за счет зон возвратного течения за ней. Нарис. 3.2 представлена зависимость давления от безразмерной координаты.Расстояние, на котором происходят потери давления, зависит от коэффициентаживого сечения и толщины пластины. Можно предположить, что шарики,расположенные за пластиной, изменяют картину течения и, следовательно,значение потерь давления будут отличаться от полученных для уединеннойпластины.Рис. 3.2. Зависимость полного давления отнесенного к динамическому давлениюот безразмерной координаты, по данным [86]3.1.1.

Результаты экспериментального исследования потерь давления притечении через перфорированную решеткуПерфорированная решетка без засыпкиДля уточнения расчета коэффициентов гидравлического сопротивления иотработки методики проведения эксперимента была выполнена первая серияэкспериментов на РУ№1 без шаровой засыпки. В ходе проведения экспериментовфиксировались значения перепада давления, объемного расхода воды иизмеряласьтемператураводы.Первичныеэкспериментальныеданные,представлены на рис. 3.3 в виде потерь давления на одной перфорированнойрешетке в зависимости от безразмерной координаты верхнего капилляра85(отнесенной к диаметру отверстия перфорации do) (рис.

2.7, Глава 2).Эксперименты проводились при температуре жидкости 19ºС, в диапазоне расходажидкостиот0,3до0,6кг/с,чтосоответствуетмассовымскоростямρU = 170-345 кг/(м2·с).Рис. 3.3. Потери давления на перфорированной решетке без засыпки.На рис. 3.3 видно, что максимальные потери давления происходятнепосредственно на решетке, затем происходит восстановление давления зарешеткой (скорость потока снижается) и далее потери давления за решеткойвыходят на установившееся значение. Снижение потерь давления при y> 80 ммсвязано с приближение ко второй решетке, расположенной в рабочем участке.Можно сделать вывод, что область графика с координатами y = 0 – 20 мм являетсязоной стабилизации потока после прохождения перфорированной решетки. Присопоставлении полученных данных рис.

3.3 и зависимости статического давленияот координаты на рис. 3.2 можно видеть качественное соответствие.Потеридавленияустановившегосятечениядлязаоднойрешеткирешеткой,какопределялисьсреднееназначениеучасткевеличин,измеренных при расположении верхнего капилляра (отбора давления) в86координатах от 20 до 85 мм. Зависимость потерь давления от массовой скоростина одной решетке представлена на рис. 3.4.Рис. 3.4. Зависимость потерь давления от массовой скорости жидкостиПополученнымэкспериментальнымданнымбылирассчитаныкоэффициенты гидравлического сопротивления перфорированной пластины:ξ=p,2ρU 2(3.2)где U – скорость жидкости в трубе без влияния решетки.Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числаРейнольдса (рассчитанного по скорости в отверстиях Uo и диаметру отверстия врешетки do) представлена на рис.

3.5. Для сравнения на рисунке нанесенызначения, полученные при использовании таблиц и диаграмм (стр. 410-413 [29]).Наблюдается качественное совпадение результатов, однако количественноерасхождение результатов имеет место и составляет значение ~8%. Полученныерезультатыпоказывают корректностьодновременноподтверждаютиспользуемой методики измерения,корректностьопределениякоэффициента87гидравлического сопротивления по представленным в [29] на стр. 410-413таблицам и графикам, также эти данные говорят об ошибках, содержащихся вформулах (3.1).Рис. 3.5. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа ReoРешетка с прилегающей к ней шаровой засыпкойСцельюполучениязависимостикоэффициентагидравлическогосопротивления от числа Рейнольдса на РУ№1 были проведены эксперименты поопределению потерь давления на пластине с засыпкой.