Диссертация (1026340), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Онищенкоразрабатываются системы с ТЭГ для бензиновых и дизельных автомобильныхдвигателей [76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84]. При участии автора былразработан, создан и испытан ТЭГ для бензинового автомобильного двигателя4Ч8.2/7.56 (ВАЗ 21127) с горячим теплообменником в виде шестиграннойкамеры с рёбрами и вытеснителем (Рис. 4.1).Рис. 4.1. Схема термоэлектрического генератора для двигателя легковогоавтомобиля, разработанного в МГТУ им. Н.Э. Баумана (слева),установка термоэлектрического генератора на стенд (справа)122Используя опыт создания термоэлектрического генератора для легковогоавтомобиля,былразработанТЭГдлясреднеоборотногодвигателя.Термоэлектрический генератор для среднеоборотного дизеля состоит изхолодного теплообменника, горячего теплообменника и термоэлектрическихбатарей.ВданнойтермоэлектрическимиработебатареямирассматриваетсяиоблунённойТЭГсплоскимитепловоспринимающейповерхностью горячего теплообменника (Рис.
4.2). Схема установки ТЭГ надвигатель 12ЧН26,5/31 приведена на Рис. 4.3.Рис. 4.2. Схема термоэлектрического генератора для одного цилиндраРис. 4.3 Схема установки ТЭГ на двигатель 12ЧН26,5/311234.2. Моделирование течения в проточной части горячего теплообменникаТак как коэффициент теплоотдачи от газа намного меньше коэффициентатеплоотдачи от жидкости, одной из важных задач при проектированиитермоэлектрического генератора является увеличение тепловой эффективностигорячего теплообменника.В данной работе рассматривается горячий теплообменник с луночнойинтенсификациейтеплообмена,поэтомудлямоделированиятеченияиспользуется вычислительная гидродинамика.4.2.1.
Математическая модель обтекания облунённой поверхностиДля увеличения теплоотдачи в ТЭГ могут использоваться увеличениеплощади контакта газа и твёрдого тела (оребрение), либо интенсификациятеплообмена, например закрутка потока, каналы с дискретной шероховатостью:выступами [131], канавками [132], лунками [133]. Лунки создают вихри, темсамым увеличивая кинетическую энергию турбулентности и теплоотдачу встенку, при этом почти не увеличивается сопротивление.Вопросамиинтенсификации теплообмена занимались многие учёные:А.И.
Леонтьев, Г.И. Кикнадзе, С.З. Сапожников, С.А. Исаев, Э.К. Калинин,Г.А. Дрейцер, Ю.Ф. Гортышов, И.А. Попов, В.В. Олимпиев, А.В. Щелчков,С.И. Каськов,Ю.А. Быстров,Н.А.Кудрявцев,А.А. Халатовидругие.Первоначально лунки выполнялись цилиндрическими [134, 135]. Большоеколичество работ как экспериментальных, так и расчётных выполнено длясферических лунок [131, 133, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142]. Такжеисследуются нетрадиционные формы лунок, такие как эллиптические,гантелеобразные, овальные, серповидные.
Большая теплоотдача при умеренныхгидравлических потерях достигается при использовании овальных лунок,расположенных под углом 45̊ к потоку [133, 137, 138, 143, 144].Для моделирования течения в проточной части теплообменникаиспользовался метод контрольных объёмов, реализованный в программном124комплексе FIRE, подробно описанный в главе 2. Сложность моделированиятечения в лунках состоит в возникновении в них нестационарных вихревыхструктур [145, 146], из-за чего требуется нестационарный расчёт с большимразрешением расчётной сетки (в работе [137] взято 1.3-1.5 млн. ячеек дляканала с одной лункой, в [146] – 1.5 млн).Для верификации математической модели обтекания облунённоойповерхностибылииспользованырезультатыэкспериментальногоисследования, проведенного на кафедре «Теоретические основы теплотехники»Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого [140,147].
В данном эксперименте проводилось исследование течения воздуха вканале с одиночной сферической лункой, нагреваемой насыщенным паром,температура которого близка к 100°С (Рис. 4.3). Перед лункой расположенучасток плоской поверхности длиной 400 мм (от оси лунки) для успокоениятечения. На поверхности лунки были установлены градиентные датчикитеплового потока размером 4х7х0.2 мм (обозначены цифрами от 1 до 5 наРис.
4.4), также один датчик был установлен на поверхности пластины передлункой. Число Рейнольдса (вычисленное по диаметру пятна лунки) Re =2.5×104, 4.2×104 и 6.4×104.Рис. 4.4. Размеры лунки, исследовавшийся в эксперименте [140, 147]; цифрамиобозначены номера датчиков, стрелкой – направление течениявоздуха125Моделировалосьнестационарноетечениеидеальноговязкогосжимаемого газа, на входе задаются следующие граничные условия: скорость(6.05, 10.7 и 15.5 м/с) и температура (300 К).На нагреваемой поверхности заданы температура стенки 373 К и условияприлипания, на остальных стенках – условие симметрии.
На выходе задаётсястатическое давление 1.01 бар. Пристеночные функции: Гибридные. Модельтеплообмена в пристеночном слое: стандартная.Расчёт ведётся с учётом сжимаемости, т.к. несмотря на низкую скоростьгаза, его плотность изменяется из-за нагрева.Шаг по времени: в начале расчёта 1 мс, в конце расчёта 0.1 мс.Контрольно-объёмная сетка состоит из 2.7 млн. ячеек (преимущественногексаэдрических), размером от 0.5 (в районе поверхности теплообмена) до 4 мм(Рис. 4.5).Рис. 4.5. Контрольнообъёмная сетка для моделирования течения в канале содиночной лункой126Моделирование с использованием RANS.
Модель турбулентности: k-ζf. Трёхмерные результаты расчёта (тепловой поток и линии тока) представленына Рис. 4.6-4.7.абРис. 4.6. Результаты моделирования течения в канале с одиночной лункой,течение газа слева направо, Re = 6.4x104: а – линии тока; б – тепловойпоток, Вт/м2127абРис. 4.7. Результаты моделирования течения в канале с одиночной лункой,течение газа слева направо, Re = 6.4x104: а – поле скоростей в сечениипо оси лунки, м/с; б – кинетическая энергия турбулентности в сечениипо оси лунки, м2/с2На Рис. 4.8 представлено сравнения относительного коэффициента теплоотдачина поверхности лунки αsp/αpl. Из рисунка видно приемлемое соответствиерасчётаиэксперимента,чтоговоритовозможностииспользованииматематической модели для моделирования теплоотдачи в облунённуюповерхность. Определённое расхождение возможно объясняется тем, чтонеизвестен радиус скругления в эксперименте (в расчёте принята остраякромка).128Рис.4.8.Сравнениерасчётноготеплоотдачииэкспериментальногокоэффициентана поверхности лунки для трёх значений числаРейнольдсаМоделирование с использованием LES.
Применение метода крупныхвихрей приводит к колебаниям структуры течения (Рис. 4.9) и теплового потоканадатчиках(Рис.4.10).Однакотепловыепотоки,полученныесиспользованием LES, не соответствуют экспериментальным.Рис. 4.9. Результаты моделирования обтекания одиночной лунки методомкрупных вихрей для четырёх моментов времени с интервалом 0.05 с(линии тока и тепловой поток в стенку)129Рис. 4.10. Результаты моделирования обтекания одиночной лунки методомкрупных вихрей (до 14.8 с – RANS)Таккаквданнойработерассматриваетсятеплообменинерассматриваются динамические процессы, происходящие на облунённойповерхности, далее используется метод RANS с моделью турбулентности k-ζ-f.4.2.2.
Моделирование течения в горячем теплообменникеИсходными данными для расчёта термоэлектрического генератораявляются температура и расход отработавших газов. Для их определенияиспользовались результаты нульмерного моделирования рабочего процесса.Расход отработавших газов составил 0.53 кг/цилиндр. Так как ТЭГ установленпосле турбины, на входе в ТЭГ принята температура 695 К (температура послетурбины 723 К).Используя настроенную математическую модель, проведено численноемоделирование течения газа в теплообменниках с различной геометрией лунок:сферические, овальные, серповидные, а также поверхности без лунок [148, 149].При этом соблюдалось условия равенства площади «пятна» лунки.
Горячийтеплообменник с овальными лунками представлен на Рис. 4.11, геометриялунок на Рис. 4.12.130Рис. 4.11. Проточная часть теплообменника ТЭГОвальнаяСерповидная 1Серповидная 2СферическаяРис. 4.12. Геометрия лунок, радиус скругления 0.6 мм. Пунктиром показандиаметр эквивалентной сферической лункиДля ускорения счёта берём одну дорожку лунок. В начале и в концерасчётной области заданы дополнительные объёмы (длиной 145 и 85 мм,соответственно) для формирования пограничного слоя и выравниванияпараметровтурбулентности.Расчётведётсядлянесколькихсетоквзависимости от времени (сначала на сетке с меньшим количеством ячеек, затем131– с большим). Это позволяет увеличить скорость счёта, так как в начале расчётанаблюдаются переходные процессы. Наибольший размер ячейки наиболеетонкой сетки 1.6 мм; задаётся измельчение на тепловоспринимающейповерхности 0.2 мм и в районе кромок 0.1 мм, пограничный слой 0.1 мм.Расчётные контрольнообъёмные сетки приведены на Рис.
4.13.Рис. 4.13. Фрагменты расчётных сеток для моделирования течения в канале сдорожкой лунок, сверху вниз: плоская поверхность, сферические,овальные, серповидные лунки. Течение газа слева направоМоделировалось нестационарное течение идеального сжимаемого газа(отработавшие газы), на входе задаются расход: 0.0132 кг/с, температура: 705 К,кинетическаяэнергиятурбулентности:100 м2с-2,масштабдлинытурбулентности: 0.02 м. На нагреваемой поверхности заданы температурастенки 500 К и условия прилипания, на остальных стенках – условиесимметрии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
