CC BY
61
В. Н. Посохин, Р. Г. Сафиуллин, А. Р. Фаттахов
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТРЫВНЫХ ЗОН НА ВХОДЕ В ПЛОСКИЕ И ОСЕСИММЕТРИЧНЫЕ СТОКИ-РАСТРУБЫ
Ключевые слова: стоки-раструбы, отрывные зоны, численный расчет, пакет программ Fluent.
Численным методом с помощью программного комплекса Fluent определяются геометрические характеристики вихревых зон, образующихся при срыве потока с острых кромок плоских и осесимметричных стоков-раструбов. Полученные результаты сравниваются с имеющимися аналитическими данными.
Keywords: funnel-inlets, detachment zones, the numerical calculation, the software package Fluent
Geometrical characteristics of vortex zones formed during the breakdown of the flow from the sharp edges ofplanar and axisymmetric funnel-inlets are determined numerically with the help of a Fluent software. The results are compared with available analytical data.
Введение
Геометрию отрывных зон во входных элементах в виде раструбов важно знать для оценки энергоэффективности контактных устройств с увеличенной пропускной способностью, проектируемых для тепломассообменных процессов.
Осесимметричные и плоские раструбы рассмотрены в работе [1], где решение получено с помощью метода дискретных вихрей. Характерная картина течения на входе в раструб, полученная этим методом, показана на рис.1. В работах [2, 3] геометрия вихревых зон для плоских раструбов определяется в рамках теории течений идеальной жидкости со свободными поверхностями методом конформных отображений. Некоторые экспериментальные результаты по плоским раструбам содержатся в работе [4].
а ^
—^
Рис. 1 - Линии тока и вихревая структура течения на входе в щелевой сток-раструб [1]
В этой статье характеристики вихревых зон на входе в плоские и осесимметричные раструбы определяются численным методом с помощью пакета программ Fluent. Система уравнений движения замыкается при помощи модели рейнольдсовых напряжений [5].
Результаты расчетов
Симметричная половина меридионального сечения расчетной области показана на рис. 2. Отрезки АВ, ВС, ЕА - проницаемые границы; CG, GF, FJ, JK
- твердые стенки, EN - ось течения.
N КС В
Е А
Рис. 2 - Геометрия расчетной области
В зависимости от длины раструба l могут реализоваться разные схемы течения. При большой длине образуются две последовательно расположенные вихревые зоны рис. 1. - «длинный» раструб; при малом l обе зоны сливаются в одну - «короткий» раструб.
Приняты следующие граничные условия:
- на непроницаемых границах CG, GF, FJ, JK д^
— = 0 - условие непроницаемости для нормаль-дп
ных компонент скорости;
= 0 - условие непроницаемости для турбулент-
дп
ных пульсаций скорости;
- на проницаемых границах АВ, ВС, ЕА
Др = 0 - избыточное давление на границе;
v = vn — скорость направлена по нормали к границе. к = 0 , е = 0 — поток, втекающий через границы, не турбулентный.
На границе KN —
v = vn = const — скорость постоянна и направлена по нормали к границе;
к=0,е=0.
dv
На оси течения ^-------= 0 .
дп
Здесь — — производная по направлению нормали к дп
границе, к - кинетическая энергия турбулентных пульсаций; е — удельная диссипация кинетической энергии пульсаций. На участке KN скорость постоянна и равна v = 30.56 м/с.
Принимались следующие значения физических параметров: плотность воздуха р = 1.225 кг/м3,
кинематическая вязкость воздуха v = 17.89 • 10 6
м2/с, число Рейнольдса Re =
v • 2B
= 444ОО . Значе-
ния геометрических параметров раструба: безразмерная длина раструба - / = — = 1 ^ 5 ; угол
B
1 1 1 5
а=—л, — л, — л, — л 6 4 3 12
На рис. 3 приведены характерные линии тока вблизи плоских и осесимметричных раструбов при различных l. Из рисунка видно, что качественно картины течений подобны. Однако, размеры отрывной зоны в круглом раструбе существенно меньше, чем в плоском. Как следствие - больше эффективный размер входа Вэф.
На рис. 4 результаты численного расчета сопоставляются с данными, полученными аналитическими методами для плоских и осесимметричных раструбов. Эффективный размер Вэф стока-раструба
увеличивается с ростом длины раструба и угла его раскрытия. У круглых раструбов при прочих равных
условиях Вэф на 16^20% больше, чем у плоских. При больших углах раскрытия рост Вэф у круглых раструбов происходит интенсивнее.
Из рисунка 4 также видно, что для углов в диапазоне а = 30°^ 75° расхождение в результатах определения величины Вэф разными расчетными
методами составляет менее 10%. Это подтверждает справедливость использованных в работах [1,2] моделей.
Полученные результаты могут быть использованы при конструировании входных участков различных технологических аппаратов. Аппроксимация данных расчета по программе FLUENT дает:
- для плоских раструбов
Вэф = /п| а1(0.26/ — 0.014)+ 0.86/ + 0.75 ;
Рис. 3 - Линии тока течений вблизи плоских и осесимметричных раструбов
Рис. 4 - Сравнение значений Вэф для плоских и
осесимметричных раструбов, полученных разными расчетными методами
- для осесимметричных раструбов
Вэф = /л^)(0.37/ -0.02і)+1.137/ + 0.86 . Литература
1. Логачев К.И. Расчет течений на входе в отсосы-раструбы методом дискретных вихрей/ К.И. Логачев, А.И. Пузанок, В.Н. Посохин// Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2004. - № 7-8. - с.61-69.
2. Посохин В.Н. О форме отрывных зон на входе в раструб./ В.Н. Посохин, Н.Б Салимов, Р.Г. Сафиуллин//
v
6З
Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2003. - №3-4. -с. 39-47.
3. Посохин В.Н. Расчет скоростей подтекания к щелевому стоку-раструбу./ В.Н. Посохин, Р.Г. Сафиуллин// Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 22. - С. 41-46.
4. Посохин В.Н. Экспериментальное изучение вихревых зон в потоках вблизи всасывающих щелевидных отвер-
стий./ В.Н. Посохин, М.В. Катков // Известия вузов. Авиационная техника. - 2001. - №1 - с.61-63.
5. Versteeg H.K., Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics/ The finite volume method// Longman house, Burnt Mill, Harlow Essex CM20 2YE, England.
© В. Н. Посохин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. теплогазоснабжения и вентиляции Казанского ГАСУ; Р. Г. Сафиуллин -канд. техн. наук, доц. каф. каф. теплогазоснабжения и вентиляции КГАСУ, [email protected]; А. Р. Фаттахов - асс. той же кафедры, [email protected].
